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Tout tout tout sur les Aciers
Introduction
1 Constituants des aciers
Diagramme fer-carbone
2 Structure des aciers
Diagramme de transformation en fonction de la tempeacuterature
3 Facteurs influenccedilant la structure
4 Traitements thermiques des aciers
Diagramme de dureteacute
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Trempabiliteacute essai Jominy (diagramme)
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
7 Deacutesignation des aciers
8 Aciers allieacutes
Le chrome eacuteleacutement alphagegravene (diagramme)
Influence du chrome sur la dureteacute au revenu (diagramme)
Refroidissement lent des aciers au nickel (diagramme)
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
Tableau des constituants des aciers allieacutes
9 Aciers de construction
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Principales nuances drsquoaciers de construction
o Aciers de construction soudables
o Aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
10 Aciers agrave outils
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
o Aciers de bonne ductiliteacute
o Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
Aciers pour travail agrave chaud
o Aciers de bonne ductiliteacute
o Aciers de ductiliteacute moyenne
o Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
11 Aciers inoxydables
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Corrosion des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
12 Aciers reacutefractaires
13 Aciers agrave aimants
Lrsquoacier est un alliage de fer et de carbone renfermant au maximum 2 p 100 de ce
dernier eacuteleacutement Il peut contenir de petites quantiteacutes drsquoautres eacuteleacutements incorporeacutes
volontairement ou non au cours de son eacutelaboration On peut eacutegalement y ajouter des
quantiteacutes plus importantes drsquoeacuteleacutements drsquoalliage il est consideacutereacute alors comme un acier
allieacute La teneur en carbone de certains de ces aciers allieacutes peut parfois deacutepasser
2 p 100
Contrairement agrave la fonte qui contient plus de 2 p 100 de carbone lrsquoacier est un meacutetal
ductile il peut subir des changements de forme par compression ou extension agrave chaud
ou agrave froid Il est caracteacuteriseacute en outre par une proprieacuteteacute fondamentale qui est la raison
du deacuteveloppement consideacuterable de ses emplois il prend la trempe crsquoest-agrave-dire qursquoil
est susceptible drsquoacqueacuterir une grande dureteacute lorsqursquoil est chauffeacute agrave une tempeacuterature
suffisamment eacuteleveacutee et refroidi agrave une vitesse assez grande Cependant cette proprieacuteteacute
ne se rencontre pas dans certains aciers allieacutes qui doivent leur utilisation agrave drsquoautres
caracteacuteristiques Lrsquoacier peut durcir eacutegalement sous lrsquoeffet drsquoautres traitements que la
trempe par exemple par eacutecrouissage (travail meacutecanique agrave froid)
La possibiliteacute drsquoattribuer aux aciers une gamme eacutetendue de proprieacuteteacutes gracircce agrave des
traitements thermiques thermomeacutecaniques et meacutecaniques est agrave lrsquoorigine du tregraves large
eacuteventail drsquoutilisations de ce meacutetal La quantiteacute drsquoacier consommeacutee par tecircte drsquohabitant a
drsquoailleurs pu ecirctre consideacutereacutee comme lrsquoindice du deacuteveloppement drsquoun pays et lrsquoon peut
affirmer que lrsquoindustrie moderne a son origine degraves le milieu du XVIIIe siegravecle et
surtout au XIXe siegravecle dans la deacutecouverte des proceacutedeacutes de production massive de
lrsquoacier
Les aciers ordinaires montrent des insuffisances qui limitent leurs utilisations et les
rendent impropres agrave certains usages Tregraves souvent la reacutesistance aux sollicitations
meacutecaniques est en cause parfois crsquoest lrsquoattaque par des reacuteactifs chimiques ou mecircme
simplement par lrsquoatmosphegravere lorsqursquoelle est humide ou pollueacutee On a reacuteussi agrave pallier
ces inconveacutenients et agrave eacutelargir les domaines drsquoemploi des aciers en ajoutant une
certaine quantiteacute de meacutetaux ou drsquoeacuteleacutements non meacutetalliques On obtient ainsi une
importante gamme drsquoaciers allieacutes reacutepondant agrave des neacutecessiteacutes tregraves diverses
On deacutesigne par aciers de construction tous ceux qui sont utiliseacutes dans la construction
meacutecanique crsquoest-agrave-dire pour la fabrication de machines de structures et de moteurs
par exemple dans les industries automobile et aeacuterospatiale Crsquoest essentiellement en
raison de leur reacutesistance meacutecanique que ces aciers sont choisis et ce choix deacutepend agrave la
fois de la dimension des piegraveces envisageacutees et des sollicitations auxquelles elles sont
soumises
Lrsquooutil a eacuteteacute probablement la premiegravere utilisation de lrsquoacier Il srsquoagissait alors de
prolonger la main de lrsquohomme pour la mise en œuvre des mateacuteriaux naturels La
construction de machines a conduit agrave la fabrication drsquooutillages de plus en plus
compliqueacutes et auxquels il eacutetait demandeacute des efforts de plus en plus grands on a ducirc
pour cette raison substituer dans beaucoup de cas des aciers speacuteciaux et allieacutes agrave lrsquoacier
ordinaire
Un des deacutefauts majeurs des aciers ordinaires est lrsquoalteacuteration par lrsquoaction de
lrsquoatmosphegravere et plus encore par les divers produits au contact desquels ils peuvent se
trouver La rouille est la premiegravere manifestation de cette alteacuteration mais des attaques
beaucoup plus profondes peuvent se produire par lrsquoaction de gaz ou de liquides plus
reacuteactifs Si la protection contre une atmosphegravere humide est assez facile par des
revecirctements meacutetalliques ou par des peintures les attaques chimiques exigent des
solutions beaucoup plus radicales visant la composition mecircme du meacutetal et sa structure
Une classe drsquoaciers dits inoxydables reacutepond agrave ces exigences
1 Constituants des aciers
Rappelons que le fer existe sous deux varieacuteteacutes allotropiques diffeacuterentes crsquoest-agrave-dire
avec deux formes cristallines
Aux basses tempeacuteratures et jusqursquoagrave 910 0C ses atomes sont disposeacutes suivant un reacuteseau
cubique centreacute crsquoest-agrave-dire qursquoils occupent les sommets et le centre drsquoun cube on
lrsquoappelle alors fer a Aux tempeacuteratures supeacuterieures agrave 910 0C et jusqursquoagrave 1 392 0C le
reacuteseau cristallin est du type cubique agrave faces centreacutees crsquoest-agrave-dire que les atomes sont
disposeacutes aux sommets du cube et au centre de ses faces On lrsquoappelle fer g Au-dessus
de 1 392 0C et jusqursquoau point de fusion agrave 1 535 0C le fer retrouve la structure cubique
centreacutee du fer a on lrsquoappelle alors fer d pour distinguer son domaine de stabiliteacute Lors
drsquoun chauffage la transformation du fer a en fer g se fait avec diminution de volume et
absorption de chaleur La transformation inverse se fait avec dilatation
Cette existence des deux varieacuteteacutes allotropiques du fer joue un grand rocircle pour les
proprieacuteteacutes de lrsquoacier Le fait essentiel reacuteside dans la diffeacuterence de solubiliteacute du carbone
dans chacune de ces formes Alors que cette solubiliteacute du carbone est nulle ou
extrecircmement faible dans le fer a elle est notable dans le fer g voisine de 2 p 100 agrave
1 145 0C Cette solution de carbone dans le fer g est appeleacutee austeacutenite tandis que la
solution (tregraves dilueacutee 00218 p 100 agrave 727 0C) dans le fer a est appeleacutee ferrite En
raison de cette faible solubiliteacute le carbone forme un troisiegraveme constituant le carbure
de fer Fe3C ou ceacutementite
Ainsi un acier alliage de fer et de carbone est constitueacute agrave la tempeacuterature ordinaire
drsquoun meacutelange de ferrite et de ceacutementite Mais agrave tempeacuterature plus eacuteleveacutee alors que le
fer a srsquoest transformeacute en fer g il comporte un seul constituant lrsquoausteacutenite Le
chauffage destineacute agrave provoquer cette transformation de lrsquoacier est appeleacute
austeacutenitisation
La preacutesence de carbone entraicircne drsquoailleurs des modifications de la tempeacuterature agrave
laquelle se fait la transformation Ces modifications sont exprimeacutees dans le diagramme
fer-carbone
Ce scheacutema fait abstraction du domaine du fer d existant entre 1 392 0C et le point de
fusion pour les aciers agrave faible teneur en carbone Un point remarquable doit ecirctre noteacute
correspondant agrave la teneur de 08 p 100 de carbone Ce point est dit eutectoiumlde les
aciers qui contiennent moins de 08 p 100 de carbone sont dits hypoeutectoiumldes et
ceux qui sont plus carbureacutes hypereutectoiumldes
Dans les aciers la transformation a X g commence degraves 730 0C et se poursuit dans un
intervalle de tempeacuterature variable suivant la teneur en carbone Pour un acier
eutectoiumlde ayant une teneur en carbone de 08 p 100 la transformation entiegravere se
produit agrave 730 0C
2 Structure des aciers
Les aciers sont agrave la tempeacuterature ambiante constitueacutes essentiellement par des
meacutelanges de ferrite et de ceacutementite Mais la superposition de ces deux constituants
peut prendre des formes tregraves diffeacuterentes selon les conditions dans lesquelles ils ont pris
naissance Les structures de lrsquoacier peuvent ainsi ecirctre extrecircmement varieacutees elles sont
aiseacutement mises en eacutevidence par les techniques de la meacutetallographie
Celles-ci comportent lrsquoexamen drsquoune surface du meacutetal tregraves soigneusement polie et
attaqueacutee par des reacuteactifs convenables qui mettent en eacutevidence par des diffeacuterences dans
lrsquointensiteacute de lrsquoattaque les divers constituants de lrsquoacier Lrsquoexamen se fait agrave lrsquoaide drsquoun
microscope optique Des proceacutedeacutes un peu diffeacuterents permettent lrsquoexamen au
microscope eacutelectronique avec des grossissements beaucoup plus grands On a pu
constater que les proprieacuteteacutes drsquoun acier eacutetaient essentiellement fonction de cette
structure par conseacutequent lrsquoobtention drsquoune structure convenable est la cleacute qui permet
drsquoattribuer agrave lrsquoacier les proprieacuteteacutes deacutesireacutees
Ces structures deacutependent des conditions dans lesquelles lrsquoacier a eacuteteacute refroidi depuis le
moment ougrave chauffeacute au-dessus du point de transformation il eacutetait constitueacute par de
lrsquoausteacutenite En particulier suivant la vitesse de refroidissement on peut avoir dans le
cas de faibles vitesses une reacutepartition dans la ferrite de particules tregraves grossiegraveres de
ceacutementite ou au contraire dans le cas de plus grandes vitesses une superposition des
deux constituants en eacuteleacutements extrecircmement fins discernables seulement avec de tregraves
forts grossissements Agrave lrsquoextrecircme on peut arriver agrave une solution de carbone dans une
ferrite deacuteformeacutee solution en eacutetat de faux eacutequilibre puisque la solubiliteacute du carbone
dans la ferrite est extrecircmement faible la structure formeacutee est la martensite degraves qursquoun
eacutechauffement aura restitueacute aux atomes de carbone une certaine mobiliteacute ils se
seacutepareront de la ferrite sous forme de carbure tandis que la ferrite retrouvera sa
cristallisation cubique centreacutee normale
La connaissance des diverses structures auxquelles peut aboutir la transformation de
lrsquoausteacutenite lors du refroidissement a accompli de grands progregraves gracircce agrave lrsquoeacutetude de
cette transformation en conditions isothermes agrave diverses tempeacuteratures Lorsqursquoon
prend un eacutechantillon drsquoun acier chauffeacute dans le domaine de lrsquoausteacutenite qursquoon le
refroidit brusquement agrave une tempeacuterature infeacuterieure agrave son point de transformation ndash par
exemple agrave 600 0C ndash et qursquoon le maintient agrave cette tempeacuterature pendant une dureacutee
suffisante on peut suivre par diffeacuterentes meacutethodes la transformation de lrsquoausteacutenite en
fonction du temps On constate alors que cette transformation deacutebute seulement apregraves
un temps drsquoincubation qui deacutepend de la composition de lrsquoacier et pour un acier
donneacute de la tempeacuterature Il peut ecirctre drsquoune fraction de seconde de quelques minutes
ou de quelques heures Apregraves cette peacuteriode drsquoincubation la transformation commence
par lrsquoapparition de ferrite ou de ceacutementite suivant que lrsquoacier est hypo- ou
hypereutectoiumlde Cette formation de ferrite ou de ceacutementite correspond agrave un
enrichissement ou agrave un appauvrissement en carbone de lrsquoausteacutenite non transformeacutee Le
pheacutenomegravene se poursuit jusqursquoau moment ougrave le meacutelange atteint la teneur eutectoiumlde de
08 p 100 de carbone Agrave partir de ce moment le constituant formeacute est un agreacutegat de
ferrite et de ceacutementite La transformation continue progressivement jusqursquoagrave ce quelle
soit complegravete
On a pu tracer ainsi pour chaque acier des diagrammes dits TTT (tempeacuterature temps
transformation) sur lesquels figurent les courbes repreacutesentant le deacutebut et la fin de la
transformation et tregraves souvent celle qui correspond agrave 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee Sur la figure 2 on voit qursquoagrave 700 0C la transformation commence apregraves
environ 20 secondes par un deacutepocirct de ceacutementite apregraves 40 secondes la transformation
produit ferrite et ceacutementite Vers 300 secondes il y a 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee et la transformation est complegravete apregraves une heure environ Lorsque la
tempeacuterature baisse la transformation est de plus en plus preacutecoce et de plus en plus
rapide Vers 450 0C elle deacutebute en moins drsquoune seconde elle est termineacutee en 3 agrave 4
secondes Aux tempeacuteratures infeacuterieures elle est de nouveau plus lente
Au-dessous drsquoune certaine tempeacuterature deacutesigneacutee par MS ndash dans ce cas vers 190 0C ndash la
transformation prend un tout autre caractegravere Elle nrsquoest plus fonction du temps mais
seulement de la tempeacuterature agrave chaque tempeacuterature une certaine fraction de lrsquoausteacutenite
est transformeacutee instantaneacutement et il faut encore un abaissement de la tempeacuterature pour
provoquer la transformation drsquoune nouvelle fraction
Ce diagramme est donneacute agrave titre drsquoexemple Les aciers allieacutes ont des diagrammes
beaucoup plus complexes des zones de tempeacuterature peuvent apparaicirctre dans
lesquelles lrsquoausteacutenite est totalement stable
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoeacutetude des transformations isothermes de lrsquoausteacutenite ne reacuteside pas
seulement dans lrsquoobservation de la cineacutetique de cette transformation Elle reacuteside aussi
dans la caracteacuterisation des structures obtenues agrave chacune des tempeacuteratures structures
qui en raison de lrsquoisothermie de la transformation sont homogegravenes La structure
observeacutee apregraves un refroidissement continu est au contraire souvent beaucoup plus
complexe elle comporte un meacutelange des structures eacuteleacutementaires
Ces structures eacuteleacutementaires sont les suivantes
ndash Par transformation peu au-dessous du point Ac1 on obtient une structure dite perlite
globulaire il srsquoagit drsquoune dispersion de globules de ceacutementite dans la ferrite la
densiteacute de ces globules eacutetant drsquoautant plus grande que le pourcentage de carbone est
lui-mecircme plus eacuteleveacute Crsquoest lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre normal entre ferrite et ceacutementite vers
lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongeacute agrave une tempeacuterature eacuteleveacutee
mais infeacuterieure agrave Ac1 On la rencontre dans lrsquoacier parfaitement recuit Elle correspond
agrave la plus faible dureteacute
ndash Agrave de plus basses tempeacuteratures on a agrave cocircteacute de la ferrite ou de la ceacutementite une
perlite lamellaire constitueacutee par des lamelles alterneacutees de ceacutementite et de ferrite Ces
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
o Aciers de bonne ductiliteacute
o Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
Aciers pour travail agrave chaud
o Aciers de bonne ductiliteacute
o Aciers de ductiliteacute moyenne
o Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
11 Aciers inoxydables
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Corrosion des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
12 Aciers reacutefractaires
13 Aciers agrave aimants
Lrsquoacier est un alliage de fer et de carbone renfermant au maximum 2 p 100 de ce
dernier eacuteleacutement Il peut contenir de petites quantiteacutes drsquoautres eacuteleacutements incorporeacutes
volontairement ou non au cours de son eacutelaboration On peut eacutegalement y ajouter des
quantiteacutes plus importantes drsquoeacuteleacutements drsquoalliage il est consideacutereacute alors comme un acier
allieacute La teneur en carbone de certains de ces aciers allieacutes peut parfois deacutepasser
2 p 100
Contrairement agrave la fonte qui contient plus de 2 p 100 de carbone lrsquoacier est un meacutetal
ductile il peut subir des changements de forme par compression ou extension agrave chaud
ou agrave froid Il est caracteacuteriseacute en outre par une proprieacuteteacute fondamentale qui est la raison
du deacuteveloppement consideacuterable de ses emplois il prend la trempe crsquoest-agrave-dire qursquoil
est susceptible drsquoacqueacuterir une grande dureteacute lorsqursquoil est chauffeacute agrave une tempeacuterature
suffisamment eacuteleveacutee et refroidi agrave une vitesse assez grande Cependant cette proprieacuteteacute
ne se rencontre pas dans certains aciers allieacutes qui doivent leur utilisation agrave drsquoautres
caracteacuteristiques Lrsquoacier peut durcir eacutegalement sous lrsquoeffet drsquoautres traitements que la
trempe par exemple par eacutecrouissage (travail meacutecanique agrave froid)
La possibiliteacute drsquoattribuer aux aciers une gamme eacutetendue de proprieacuteteacutes gracircce agrave des
traitements thermiques thermomeacutecaniques et meacutecaniques est agrave lrsquoorigine du tregraves large
eacuteventail drsquoutilisations de ce meacutetal La quantiteacute drsquoacier consommeacutee par tecircte drsquohabitant a
drsquoailleurs pu ecirctre consideacutereacutee comme lrsquoindice du deacuteveloppement drsquoun pays et lrsquoon peut
affirmer que lrsquoindustrie moderne a son origine degraves le milieu du XVIIIe siegravecle et
surtout au XIXe siegravecle dans la deacutecouverte des proceacutedeacutes de production massive de
lrsquoacier
Les aciers ordinaires montrent des insuffisances qui limitent leurs utilisations et les
rendent impropres agrave certains usages Tregraves souvent la reacutesistance aux sollicitations
meacutecaniques est en cause parfois crsquoest lrsquoattaque par des reacuteactifs chimiques ou mecircme
simplement par lrsquoatmosphegravere lorsqursquoelle est humide ou pollueacutee On a reacuteussi agrave pallier
ces inconveacutenients et agrave eacutelargir les domaines drsquoemploi des aciers en ajoutant une
certaine quantiteacute de meacutetaux ou drsquoeacuteleacutements non meacutetalliques On obtient ainsi une
importante gamme drsquoaciers allieacutes reacutepondant agrave des neacutecessiteacutes tregraves diverses
On deacutesigne par aciers de construction tous ceux qui sont utiliseacutes dans la construction
meacutecanique crsquoest-agrave-dire pour la fabrication de machines de structures et de moteurs
par exemple dans les industries automobile et aeacuterospatiale Crsquoest essentiellement en
raison de leur reacutesistance meacutecanique que ces aciers sont choisis et ce choix deacutepend agrave la
fois de la dimension des piegraveces envisageacutees et des sollicitations auxquelles elles sont
soumises
Lrsquooutil a eacuteteacute probablement la premiegravere utilisation de lrsquoacier Il srsquoagissait alors de
prolonger la main de lrsquohomme pour la mise en œuvre des mateacuteriaux naturels La
construction de machines a conduit agrave la fabrication drsquooutillages de plus en plus
compliqueacutes et auxquels il eacutetait demandeacute des efforts de plus en plus grands on a ducirc
pour cette raison substituer dans beaucoup de cas des aciers speacuteciaux et allieacutes agrave lrsquoacier
ordinaire
Un des deacutefauts majeurs des aciers ordinaires est lrsquoalteacuteration par lrsquoaction de
lrsquoatmosphegravere et plus encore par les divers produits au contact desquels ils peuvent se
trouver La rouille est la premiegravere manifestation de cette alteacuteration mais des attaques
beaucoup plus profondes peuvent se produire par lrsquoaction de gaz ou de liquides plus
reacuteactifs Si la protection contre une atmosphegravere humide est assez facile par des
revecirctements meacutetalliques ou par des peintures les attaques chimiques exigent des
solutions beaucoup plus radicales visant la composition mecircme du meacutetal et sa structure
Une classe drsquoaciers dits inoxydables reacutepond agrave ces exigences
1 Constituants des aciers
Rappelons que le fer existe sous deux varieacuteteacutes allotropiques diffeacuterentes crsquoest-agrave-dire
avec deux formes cristallines
Aux basses tempeacuteratures et jusqursquoagrave 910 0C ses atomes sont disposeacutes suivant un reacuteseau
cubique centreacute crsquoest-agrave-dire qursquoils occupent les sommets et le centre drsquoun cube on
lrsquoappelle alors fer a Aux tempeacuteratures supeacuterieures agrave 910 0C et jusqursquoagrave 1 392 0C le
reacuteseau cristallin est du type cubique agrave faces centreacutees crsquoest-agrave-dire que les atomes sont
disposeacutes aux sommets du cube et au centre de ses faces On lrsquoappelle fer g Au-dessus
de 1 392 0C et jusqursquoau point de fusion agrave 1 535 0C le fer retrouve la structure cubique
centreacutee du fer a on lrsquoappelle alors fer d pour distinguer son domaine de stabiliteacute Lors
drsquoun chauffage la transformation du fer a en fer g se fait avec diminution de volume et
absorption de chaleur La transformation inverse se fait avec dilatation
Cette existence des deux varieacuteteacutes allotropiques du fer joue un grand rocircle pour les
proprieacuteteacutes de lrsquoacier Le fait essentiel reacuteside dans la diffeacuterence de solubiliteacute du carbone
dans chacune de ces formes Alors que cette solubiliteacute du carbone est nulle ou
extrecircmement faible dans le fer a elle est notable dans le fer g voisine de 2 p 100 agrave
1 145 0C Cette solution de carbone dans le fer g est appeleacutee austeacutenite tandis que la
solution (tregraves dilueacutee 00218 p 100 agrave 727 0C) dans le fer a est appeleacutee ferrite En
raison de cette faible solubiliteacute le carbone forme un troisiegraveme constituant le carbure
de fer Fe3C ou ceacutementite
Ainsi un acier alliage de fer et de carbone est constitueacute agrave la tempeacuterature ordinaire
drsquoun meacutelange de ferrite et de ceacutementite Mais agrave tempeacuterature plus eacuteleveacutee alors que le
fer a srsquoest transformeacute en fer g il comporte un seul constituant lrsquoausteacutenite Le
chauffage destineacute agrave provoquer cette transformation de lrsquoacier est appeleacute
austeacutenitisation
La preacutesence de carbone entraicircne drsquoailleurs des modifications de la tempeacuterature agrave
laquelle se fait la transformation Ces modifications sont exprimeacutees dans le diagramme
fer-carbone
Ce scheacutema fait abstraction du domaine du fer d existant entre 1 392 0C et le point de
fusion pour les aciers agrave faible teneur en carbone Un point remarquable doit ecirctre noteacute
correspondant agrave la teneur de 08 p 100 de carbone Ce point est dit eutectoiumlde les
aciers qui contiennent moins de 08 p 100 de carbone sont dits hypoeutectoiumldes et
ceux qui sont plus carbureacutes hypereutectoiumldes
Dans les aciers la transformation a X g commence degraves 730 0C et se poursuit dans un
intervalle de tempeacuterature variable suivant la teneur en carbone Pour un acier
eutectoiumlde ayant une teneur en carbone de 08 p 100 la transformation entiegravere se
produit agrave 730 0C
2 Structure des aciers
Les aciers sont agrave la tempeacuterature ambiante constitueacutes essentiellement par des
meacutelanges de ferrite et de ceacutementite Mais la superposition de ces deux constituants
peut prendre des formes tregraves diffeacuterentes selon les conditions dans lesquelles ils ont pris
naissance Les structures de lrsquoacier peuvent ainsi ecirctre extrecircmement varieacutees elles sont
aiseacutement mises en eacutevidence par les techniques de la meacutetallographie
Celles-ci comportent lrsquoexamen drsquoune surface du meacutetal tregraves soigneusement polie et
attaqueacutee par des reacuteactifs convenables qui mettent en eacutevidence par des diffeacuterences dans
lrsquointensiteacute de lrsquoattaque les divers constituants de lrsquoacier Lrsquoexamen se fait agrave lrsquoaide drsquoun
microscope optique Des proceacutedeacutes un peu diffeacuterents permettent lrsquoexamen au
microscope eacutelectronique avec des grossissements beaucoup plus grands On a pu
constater que les proprieacuteteacutes drsquoun acier eacutetaient essentiellement fonction de cette
structure par conseacutequent lrsquoobtention drsquoune structure convenable est la cleacute qui permet
drsquoattribuer agrave lrsquoacier les proprieacuteteacutes deacutesireacutees
Ces structures deacutependent des conditions dans lesquelles lrsquoacier a eacuteteacute refroidi depuis le
moment ougrave chauffeacute au-dessus du point de transformation il eacutetait constitueacute par de
lrsquoausteacutenite En particulier suivant la vitesse de refroidissement on peut avoir dans le
cas de faibles vitesses une reacutepartition dans la ferrite de particules tregraves grossiegraveres de
ceacutementite ou au contraire dans le cas de plus grandes vitesses une superposition des
deux constituants en eacuteleacutements extrecircmement fins discernables seulement avec de tregraves
forts grossissements Agrave lrsquoextrecircme on peut arriver agrave une solution de carbone dans une
ferrite deacuteformeacutee solution en eacutetat de faux eacutequilibre puisque la solubiliteacute du carbone
dans la ferrite est extrecircmement faible la structure formeacutee est la martensite degraves qursquoun
eacutechauffement aura restitueacute aux atomes de carbone une certaine mobiliteacute ils se
seacutepareront de la ferrite sous forme de carbure tandis que la ferrite retrouvera sa
cristallisation cubique centreacutee normale
La connaissance des diverses structures auxquelles peut aboutir la transformation de
lrsquoausteacutenite lors du refroidissement a accompli de grands progregraves gracircce agrave lrsquoeacutetude de
cette transformation en conditions isothermes agrave diverses tempeacuteratures Lorsqursquoon
prend un eacutechantillon drsquoun acier chauffeacute dans le domaine de lrsquoausteacutenite qursquoon le
refroidit brusquement agrave une tempeacuterature infeacuterieure agrave son point de transformation ndash par
exemple agrave 600 0C ndash et qursquoon le maintient agrave cette tempeacuterature pendant une dureacutee
suffisante on peut suivre par diffeacuterentes meacutethodes la transformation de lrsquoausteacutenite en
fonction du temps On constate alors que cette transformation deacutebute seulement apregraves
un temps drsquoincubation qui deacutepend de la composition de lrsquoacier et pour un acier
donneacute de la tempeacuterature Il peut ecirctre drsquoune fraction de seconde de quelques minutes
ou de quelques heures Apregraves cette peacuteriode drsquoincubation la transformation commence
par lrsquoapparition de ferrite ou de ceacutementite suivant que lrsquoacier est hypo- ou
hypereutectoiumlde Cette formation de ferrite ou de ceacutementite correspond agrave un
enrichissement ou agrave un appauvrissement en carbone de lrsquoausteacutenite non transformeacutee Le
pheacutenomegravene se poursuit jusqursquoau moment ougrave le meacutelange atteint la teneur eutectoiumlde de
08 p 100 de carbone Agrave partir de ce moment le constituant formeacute est un agreacutegat de
ferrite et de ceacutementite La transformation continue progressivement jusqursquoagrave ce quelle
soit complegravete
On a pu tracer ainsi pour chaque acier des diagrammes dits TTT (tempeacuterature temps
transformation) sur lesquels figurent les courbes repreacutesentant le deacutebut et la fin de la
transformation et tregraves souvent celle qui correspond agrave 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee Sur la figure 2 on voit qursquoagrave 700 0C la transformation commence apregraves
environ 20 secondes par un deacutepocirct de ceacutementite apregraves 40 secondes la transformation
produit ferrite et ceacutementite Vers 300 secondes il y a 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee et la transformation est complegravete apregraves une heure environ Lorsque la
tempeacuterature baisse la transformation est de plus en plus preacutecoce et de plus en plus
rapide Vers 450 0C elle deacutebute en moins drsquoune seconde elle est termineacutee en 3 agrave 4
secondes Aux tempeacuteratures infeacuterieures elle est de nouveau plus lente
Au-dessous drsquoune certaine tempeacuterature deacutesigneacutee par MS ndash dans ce cas vers 190 0C ndash la
transformation prend un tout autre caractegravere Elle nrsquoest plus fonction du temps mais
seulement de la tempeacuterature agrave chaque tempeacuterature une certaine fraction de lrsquoausteacutenite
est transformeacutee instantaneacutement et il faut encore un abaissement de la tempeacuterature pour
provoquer la transformation drsquoune nouvelle fraction
Ce diagramme est donneacute agrave titre drsquoexemple Les aciers allieacutes ont des diagrammes
beaucoup plus complexes des zones de tempeacuterature peuvent apparaicirctre dans
lesquelles lrsquoausteacutenite est totalement stable
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoeacutetude des transformations isothermes de lrsquoausteacutenite ne reacuteside pas
seulement dans lrsquoobservation de la cineacutetique de cette transformation Elle reacuteside aussi
dans la caracteacuterisation des structures obtenues agrave chacune des tempeacuteratures structures
qui en raison de lrsquoisothermie de la transformation sont homogegravenes La structure
observeacutee apregraves un refroidissement continu est au contraire souvent beaucoup plus
complexe elle comporte un meacutelange des structures eacuteleacutementaires
Ces structures eacuteleacutementaires sont les suivantes
ndash Par transformation peu au-dessous du point Ac1 on obtient une structure dite perlite
globulaire il srsquoagit drsquoune dispersion de globules de ceacutementite dans la ferrite la
densiteacute de ces globules eacutetant drsquoautant plus grande que le pourcentage de carbone est
lui-mecircme plus eacuteleveacute Crsquoest lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre normal entre ferrite et ceacutementite vers
lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongeacute agrave une tempeacuterature eacuteleveacutee
mais infeacuterieure agrave Ac1 On la rencontre dans lrsquoacier parfaitement recuit Elle correspond
agrave la plus faible dureteacute
ndash Agrave de plus basses tempeacuteratures on a agrave cocircteacute de la ferrite ou de la ceacutementite une
perlite lamellaire constitueacutee par des lamelles alterneacutees de ceacutementite et de ferrite Ces
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Les aciers ordinaires montrent des insuffisances qui limitent leurs utilisations et les
rendent impropres agrave certains usages Tregraves souvent la reacutesistance aux sollicitations
meacutecaniques est en cause parfois crsquoest lrsquoattaque par des reacuteactifs chimiques ou mecircme
simplement par lrsquoatmosphegravere lorsqursquoelle est humide ou pollueacutee On a reacuteussi agrave pallier
ces inconveacutenients et agrave eacutelargir les domaines drsquoemploi des aciers en ajoutant une
certaine quantiteacute de meacutetaux ou drsquoeacuteleacutements non meacutetalliques On obtient ainsi une
importante gamme drsquoaciers allieacutes reacutepondant agrave des neacutecessiteacutes tregraves diverses
On deacutesigne par aciers de construction tous ceux qui sont utiliseacutes dans la construction
meacutecanique crsquoest-agrave-dire pour la fabrication de machines de structures et de moteurs
par exemple dans les industries automobile et aeacuterospatiale Crsquoest essentiellement en
raison de leur reacutesistance meacutecanique que ces aciers sont choisis et ce choix deacutepend agrave la
fois de la dimension des piegraveces envisageacutees et des sollicitations auxquelles elles sont
soumises
Lrsquooutil a eacuteteacute probablement la premiegravere utilisation de lrsquoacier Il srsquoagissait alors de
prolonger la main de lrsquohomme pour la mise en œuvre des mateacuteriaux naturels La
construction de machines a conduit agrave la fabrication drsquooutillages de plus en plus
compliqueacutes et auxquels il eacutetait demandeacute des efforts de plus en plus grands on a ducirc
pour cette raison substituer dans beaucoup de cas des aciers speacuteciaux et allieacutes agrave lrsquoacier
ordinaire
Un des deacutefauts majeurs des aciers ordinaires est lrsquoalteacuteration par lrsquoaction de
lrsquoatmosphegravere et plus encore par les divers produits au contact desquels ils peuvent se
trouver La rouille est la premiegravere manifestation de cette alteacuteration mais des attaques
beaucoup plus profondes peuvent se produire par lrsquoaction de gaz ou de liquides plus
reacuteactifs Si la protection contre une atmosphegravere humide est assez facile par des
revecirctements meacutetalliques ou par des peintures les attaques chimiques exigent des
solutions beaucoup plus radicales visant la composition mecircme du meacutetal et sa structure
Une classe drsquoaciers dits inoxydables reacutepond agrave ces exigences
1 Constituants des aciers
Rappelons que le fer existe sous deux varieacuteteacutes allotropiques diffeacuterentes crsquoest-agrave-dire
avec deux formes cristallines
Aux basses tempeacuteratures et jusqursquoagrave 910 0C ses atomes sont disposeacutes suivant un reacuteseau
cubique centreacute crsquoest-agrave-dire qursquoils occupent les sommets et le centre drsquoun cube on
lrsquoappelle alors fer a Aux tempeacuteratures supeacuterieures agrave 910 0C et jusqursquoagrave 1 392 0C le
reacuteseau cristallin est du type cubique agrave faces centreacutees crsquoest-agrave-dire que les atomes sont
disposeacutes aux sommets du cube et au centre de ses faces On lrsquoappelle fer g Au-dessus
de 1 392 0C et jusqursquoau point de fusion agrave 1 535 0C le fer retrouve la structure cubique
centreacutee du fer a on lrsquoappelle alors fer d pour distinguer son domaine de stabiliteacute Lors
drsquoun chauffage la transformation du fer a en fer g se fait avec diminution de volume et
absorption de chaleur La transformation inverse se fait avec dilatation
Cette existence des deux varieacuteteacutes allotropiques du fer joue un grand rocircle pour les
proprieacuteteacutes de lrsquoacier Le fait essentiel reacuteside dans la diffeacuterence de solubiliteacute du carbone
dans chacune de ces formes Alors que cette solubiliteacute du carbone est nulle ou
extrecircmement faible dans le fer a elle est notable dans le fer g voisine de 2 p 100 agrave
1 145 0C Cette solution de carbone dans le fer g est appeleacutee austeacutenite tandis que la
solution (tregraves dilueacutee 00218 p 100 agrave 727 0C) dans le fer a est appeleacutee ferrite En
raison de cette faible solubiliteacute le carbone forme un troisiegraveme constituant le carbure
de fer Fe3C ou ceacutementite
Ainsi un acier alliage de fer et de carbone est constitueacute agrave la tempeacuterature ordinaire
drsquoun meacutelange de ferrite et de ceacutementite Mais agrave tempeacuterature plus eacuteleveacutee alors que le
fer a srsquoest transformeacute en fer g il comporte un seul constituant lrsquoausteacutenite Le
chauffage destineacute agrave provoquer cette transformation de lrsquoacier est appeleacute
austeacutenitisation
La preacutesence de carbone entraicircne drsquoailleurs des modifications de la tempeacuterature agrave
laquelle se fait la transformation Ces modifications sont exprimeacutees dans le diagramme
fer-carbone
Ce scheacutema fait abstraction du domaine du fer d existant entre 1 392 0C et le point de
fusion pour les aciers agrave faible teneur en carbone Un point remarquable doit ecirctre noteacute
correspondant agrave la teneur de 08 p 100 de carbone Ce point est dit eutectoiumlde les
aciers qui contiennent moins de 08 p 100 de carbone sont dits hypoeutectoiumldes et
ceux qui sont plus carbureacutes hypereutectoiumldes
Dans les aciers la transformation a X g commence degraves 730 0C et se poursuit dans un
intervalle de tempeacuterature variable suivant la teneur en carbone Pour un acier
eutectoiumlde ayant une teneur en carbone de 08 p 100 la transformation entiegravere se
produit agrave 730 0C
2 Structure des aciers
Les aciers sont agrave la tempeacuterature ambiante constitueacutes essentiellement par des
meacutelanges de ferrite et de ceacutementite Mais la superposition de ces deux constituants
peut prendre des formes tregraves diffeacuterentes selon les conditions dans lesquelles ils ont pris
naissance Les structures de lrsquoacier peuvent ainsi ecirctre extrecircmement varieacutees elles sont
aiseacutement mises en eacutevidence par les techniques de la meacutetallographie
Celles-ci comportent lrsquoexamen drsquoune surface du meacutetal tregraves soigneusement polie et
attaqueacutee par des reacuteactifs convenables qui mettent en eacutevidence par des diffeacuterences dans
lrsquointensiteacute de lrsquoattaque les divers constituants de lrsquoacier Lrsquoexamen se fait agrave lrsquoaide drsquoun
microscope optique Des proceacutedeacutes un peu diffeacuterents permettent lrsquoexamen au
microscope eacutelectronique avec des grossissements beaucoup plus grands On a pu
constater que les proprieacuteteacutes drsquoun acier eacutetaient essentiellement fonction de cette
structure par conseacutequent lrsquoobtention drsquoune structure convenable est la cleacute qui permet
drsquoattribuer agrave lrsquoacier les proprieacuteteacutes deacutesireacutees
Ces structures deacutependent des conditions dans lesquelles lrsquoacier a eacuteteacute refroidi depuis le
moment ougrave chauffeacute au-dessus du point de transformation il eacutetait constitueacute par de
lrsquoausteacutenite En particulier suivant la vitesse de refroidissement on peut avoir dans le
cas de faibles vitesses une reacutepartition dans la ferrite de particules tregraves grossiegraveres de
ceacutementite ou au contraire dans le cas de plus grandes vitesses une superposition des
deux constituants en eacuteleacutements extrecircmement fins discernables seulement avec de tregraves
forts grossissements Agrave lrsquoextrecircme on peut arriver agrave une solution de carbone dans une
ferrite deacuteformeacutee solution en eacutetat de faux eacutequilibre puisque la solubiliteacute du carbone
dans la ferrite est extrecircmement faible la structure formeacutee est la martensite degraves qursquoun
eacutechauffement aura restitueacute aux atomes de carbone une certaine mobiliteacute ils se
seacutepareront de la ferrite sous forme de carbure tandis que la ferrite retrouvera sa
cristallisation cubique centreacutee normale
La connaissance des diverses structures auxquelles peut aboutir la transformation de
lrsquoausteacutenite lors du refroidissement a accompli de grands progregraves gracircce agrave lrsquoeacutetude de
cette transformation en conditions isothermes agrave diverses tempeacuteratures Lorsqursquoon
prend un eacutechantillon drsquoun acier chauffeacute dans le domaine de lrsquoausteacutenite qursquoon le
refroidit brusquement agrave une tempeacuterature infeacuterieure agrave son point de transformation ndash par
exemple agrave 600 0C ndash et qursquoon le maintient agrave cette tempeacuterature pendant une dureacutee
suffisante on peut suivre par diffeacuterentes meacutethodes la transformation de lrsquoausteacutenite en
fonction du temps On constate alors que cette transformation deacutebute seulement apregraves
un temps drsquoincubation qui deacutepend de la composition de lrsquoacier et pour un acier
donneacute de la tempeacuterature Il peut ecirctre drsquoune fraction de seconde de quelques minutes
ou de quelques heures Apregraves cette peacuteriode drsquoincubation la transformation commence
par lrsquoapparition de ferrite ou de ceacutementite suivant que lrsquoacier est hypo- ou
hypereutectoiumlde Cette formation de ferrite ou de ceacutementite correspond agrave un
enrichissement ou agrave un appauvrissement en carbone de lrsquoausteacutenite non transformeacutee Le
pheacutenomegravene se poursuit jusqursquoau moment ougrave le meacutelange atteint la teneur eutectoiumlde de
08 p 100 de carbone Agrave partir de ce moment le constituant formeacute est un agreacutegat de
ferrite et de ceacutementite La transformation continue progressivement jusqursquoagrave ce quelle
soit complegravete
On a pu tracer ainsi pour chaque acier des diagrammes dits TTT (tempeacuterature temps
transformation) sur lesquels figurent les courbes repreacutesentant le deacutebut et la fin de la
transformation et tregraves souvent celle qui correspond agrave 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee Sur la figure 2 on voit qursquoagrave 700 0C la transformation commence apregraves
environ 20 secondes par un deacutepocirct de ceacutementite apregraves 40 secondes la transformation
produit ferrite et ceacutementite Vers 300 secondes il y a 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee et la transformation est complegravete apregraves une heure environ Lorsque la
tempeacuterature baisse la transformation est de plus en plus preacutecoce et de plus en plus
rapide Vers 450 0C elle deacutebute en moins drsquoune seconde elle est termineacutee en 3 agrave 4
secondes Aux tempeacuteratures infeacuterieures elle est de nouveau plus lente
Au-dessous drsquoune certaine tempeacuterature deacutesigneacutee par MS ndash dans ce cas vers 190 0C ndash la
transformation prend un tout autre caractegravere Elle nrsquoest plus fonction du temps mais
seulement de la tempeacuterature agrave chaque tempeacuterature une certaine fraction de lrsquoausteacutenite
est transformeacutee instantaneacutement et il faut encore un abaissement de la tempeacuterature pour
provoquer la transformation drsquoune nouvelle fraction
Ce diagramme est donneacute agrave titre drsquoexemple Les aciers allieacutes ont des diagrammes
beaucoup plus complexes des zones de tempeacuterature peuvent apparaicirctre dans
lesquelles lrsquoausteacutenite est totalement stable
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoeacutetude des transformations isothermes de lrsquoausteacutenite ne reacuteside pas
seulement dans lrsquoobservation de la cineacutetique de cette transformation Elle reacuteside aussi
dans la caracteacuterisation des structures obtenues agrave chacune des tempeacuteratures structures
qui en raison de lrsquoisothermie de la transformation sont homogegravenes La structure
observeacutee apregraves un refroidissement continu est au contraire souvent beaucoup plus
complexe elle comporte un meacutelange des structures eacuteleacutementaires
Ces structures eacuteleacutementaires sont les suivantes
ndash Par transformation peu au-dessous du point Ac1 on obtient une structure dite perlite
globulaire il srsquoagit drsquoune dispersion de globules de ceacutementite dans la ferrite la
densiteacute de ces globules eacutetant drsquoautant plus grande que le pourcentage de carbone est
lui-mecircme plus eacuteleveacute Crsquoest lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre normal entre ferrite et ceacutementite vers
lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongeacute agrave une tempeacuterature eacuteleveacutee
mais infeacuterieure agrave Ac1 On la rencontre dans lrsquoacier parfaitement recuit Elle correspond
agrave la plus faible dureteacute
ndash Agrave de plus basses tempeacuteratures on a agrave cocircteacute de la ferrite ou de la ceacutementite une
perlite lamellaire constitueacutee par des lamelles alterneacutees de ceacutementite et de ferrite Ces
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Cette existence des deux varieacuteteacutes allotropiques du fer joue un grand rocircle pour les
proprieacuteteacutes de lrsquoacier Le fait essentiel reacuteside dans la diffeacuterence de solubiliteacute du carbone
dans chacune de ces formes Alors que cette solubiliteacute du carbone est nulle ou
extrecircmement faible dans le fer a elle est notable dans le fer g voisine de 2 p 100 agrave
1 145 0C Cette solution de carbone dans le fer g est appeleacutee austeacutenite tandis que la
solution (tregraves dilueacutee 00218 p 100 agrave 727 0C) dans le fer a est appeleacutee ferrite En
raison de cette faible solubiliteacute le carbone forme un troisiegraveme constituant le carbure
de fer Fe3C ou ceacutementite
Ainsi un acier alliage de fer et de carbone est constitueacute agrave la tempeacuterature ordinaire
drsquoun meacutelange de ferrite et de ceacutementite Mais agrave tempeacuterature plus eacuteleveacutee alors que le
fer a srsquoest transformeacute en fer g il comporte un seul constituant lrsquoausteacutenite Le
chauffage destineacute agrave provoquer cette transformation de lrsquoacier est appeleacute
austeacutenitisation
La preacutesence de carbone entraicircne drsquoailleurs des modifications de la tempeacuterature agrave
laquelle se fait la transformation Ces modifications sont exprimeacutees dans le diagramme
fer-carbone
Ce scheacutema fait abstraction du domaine du fer d existant entre 1 392 0C et le point de
fusion pour les aciers agrave faible teneur en carbone Un point remarquable doit ecirctre noteacute
correspondant agrave la teneur de 08 p 100 de carbone Ce point est dit eutectoiumlde les
aciers qui contiennent moins de 08 p 100 de carbone sont dits hypoeutectoiumldes et
ceux qui sont plus carbureacutes hypereutectoiumldes
Dans les aciers la transformation a X g commence degraves 730 0C et se poursuit dans un
intervalle de tempeacuterature variable suivant la teneur en carbone Pour un acier
eutectoiumlde ayant une teneur en carbone de 08 p 100 la transformation entiegravere se
produit agrave 730 0C
2 Structure des aciers
Les aciers sont agrave la tempeacuterature ambiante constitueacutes essentiellement par des
meacutelanges de ferrite et de ceacutementite Mais la superposition de ces deux constituants
peut prendre des formes tregraves diffeacuterentes selon les conditions dans lesquelles ils ont pris
naissance Les structures de lrsquoacier peuvent ainsi ecirctre extrecircmement varieacutees elles sont
aiseacutement mises en eacutevidence par les techniques de la meacutetallographie
Celles-ci comportent lrsquoexamen drsquoune surface du meacutetal tregraves soigneusement polie et
attaqueacutee par des reacuteactifs convenables qui mettent en eacutevidence par des diffeacuterences dans
lrsquointensiteacute de lrsquoattaque les divers constituants de lrsquoacier Lrsquoexamen se fait agrave lrsquoaide drsquoun
microscope optique Des proceacutedeacutes un peu diffeacuterents permettent lrsquoexamen au
microscope eacutelectronique avec des grossissements beaucoup plus grands On a pu
constater que les proprieacuteteacutes drsquoun acier eacutetaient essentiellement fonction de cette
structure par conseacutequent lrsquoobtention drsquoune structure convenable est la cleacute qui permet
drsquoattribuer agrave lrsquoacier les proprieacuteteacutes deacutesireacutees
Ces structures deacutependent des conditions dans lesquelles lrsquoacier a eacuteteacute refroidi depuis le
moment ougrave chauffeacute au-dessus du point de transformation il eacutetait constitueacute par de
lrsquoausteacutenite En particulier suivant la vitesse de refroidissement on peut avoir dans le
cas de faibles vitesses une reacutepartition dans la ferrite de particules tregraves grossiegraveres de
ceacutementite ou au contraire dans le cas de plus grandes vitesses une superposition des
deux constituants en eacuteleacutements extrecircmement fins discernables seulement avec de tregraves
forts grossissements Agrave lrsquoextrecircme on peut arriver agrave une solution de carbone dans une
ferrite deacuteformeacutee solution en eacutetat de faux eacutequilibre puisque la solubiliteacute du carbone
dans la ferrite est extrecircmement faible la structure formeacutee est la martensite degraves qursquoun
eacutechauffement aura restitueacute aux atomes de carbone une certaine mobiliteacute ils se
seacutepareront de la ferrite sous forme de carbure tandis que la ferrite retrouvera sa
cristallisation cubique centreacutee normale
La connaissance des diverses structures auxquelles peut aboutir la transformation de
lrsquoausteacutenite lors du refroidissement a accompli de grands progregraves gracircce agrave lrsquoeacutetude de
cette transformation en conditions isothermes agrave diverses tempeacuteratures Lorsqursquoon
prend un eacutechantillon drsquoun acier chauffeacute dans le domaine de lrsquoausteacutenite qursquoon le
refroidit brusquement agrave une tempeacuterature infeacuterieure agrave son point de transformation ndash par
exemple agrave 600 0C ndash et qursquoon le maintient agrave cette tempeacuterature pendant une dureacutee
suffisante on peut suivre par diffeacuterentes meacutethodes la transformation de lrsquoausteacutenite en
fonction du temps On constate alors que cette transformation deacutebute seulement apregraves
un temps drsquoincubation qui deacutepend de la composition de lrsquoacier et pour un acier
donneacute de la tempeacuterature Il peut ecirctre drsquoune fraction de seconde de quelques minutes
ou de quelques heures Apregraves cette peacuteriode drsquoincubation la transformation commence
par lrsquoapparition de ferrite ou de ceacutementite suivant que lrsquoacier est hypo- ou
hypereutectoiumlde Cette formation de ferrite ou de ceacutementite correspond agrave un
enrichissement ou agrave un appauvrissement en carbone de lrsquoausteacutenite non transformeacutee Le
pheacutenomegravene se poursuit jusqursquoau moment ougrave le meacutelange atteint la teneur eutectoiumlde de
08 p 100 de carbone Agrave partir de ce moment le constituant formeacute est un agreacutegat de
ferrite et de ceacutementite La transformation continue progressivement jusqursquoagrave ce quelle
soit complegravete
On a pu tracer ainsi pour chaque acier des diagrammes dits TTT (tempeacuterature temps
transformation) sur lesquels figurent les courbes repreacutesentant le deacutebut et la fin de la
transformation et tregraves souvent celle qui correspond agrave 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee Sur la figure 2 on voit qursquoagrave 700 0C la transformation commence apregraves
environ 20 secondes par un deacutepocirct de ceacutementite apregraves 40 secondes la transformation
produit ferrite et ceacutementite Vers 300 secondes il y a 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee et la transformation est complegravete apregraves une heure environ Lorsque la
tempeacuterature baisse la transformation est de plus en plus preacutecoce et de plus en plus
rapide Vers 450 0C elle deacutebute en moins drsquoune seconde elle est termineacutee en 3 agrave 4
secondes Aux tempeacuteratures infeacuterieures elle est de nouveau plus lente
Au-dessous drsquoune certaine tempeacuterature deacutesigneacutee par MS ndash dans ce cas vers 190 0C ndash la
transformation prend un tout autre caractegravere Elle nrsquoest plus fonction du temps mais
seulement de la tempeacuterature agrave chaque tempeacuterature une certaine fraction de lrsquoausteacutenite
est transformeacutee instantaneacutement et il faut encore un abaissement de la tempeacuterature pour
provoquer la transformation drsquoune nouvelle fraction
Ce diagramme est donneacute agrave titre drsquoexemple Les aciers allieacutes ont des diagrammes
beaucoup plus complexes des zones de tempeacuterature peuvent apparaicirctre dans
lesquelles lrsquoausteacutenite est totalement stable
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoeacutetude des transformations isothermes de lrsquoausteacutenite ne reacuteside pas
seulement dans lrsquoobservation de la cineacutetique de cette transformation Elle reacuteside aussi
dans la caracteacuterisation des structures obtenues agrave chacune des tempeacuteratures structures
qui en raison de lrsquoisothermie de la transformation sont homogegravenes La structure
observeacutee apregraves un refroidissement continu est au contraire souvent beaucoup plus
complexe elle comporte un meacutelange des structures eacuteleacutementaires
Ces structures eacuteleacutementaires sont les suivantes
ndash Par transformation peu au-dessous du point Ac1 on obtient une structure dite perlite
globulaire il srsquoagit drsquoune dispersion de globules de ceacutementite dans la ferrite la
densiteacute de ces globules eacutetant drsquoautant plus grande que le pourcentage de carbone est
lui-mecircme plus eacuteleveacute Crsquoest lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre normal entre ferrite et ceacutementite vers
lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongeacute agrave une tempeacuterature eacuteleveacutee
mais infeacuterieure agrave Ac1 On la rencontre dans lrsquoacier parfaitement recuit Elle correspond
agrave la plus faible dureteacute
ndash Agrave de plus basses tempeacuteratures on a agrave cocircteacute de la ferrite ou de la ceacutementite une
perlite lamellaire constitueacutee par des lamelles alterneacutees de ceacutementite et de ferrite Ces
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
aciers qui contiennent moins de 08 p 100 de carbone sont dits hypoeutectoiumldes et
ceux qui sont plus carbureacutes hypereutectoiumldes
Dans les aciers la transformation a X g commence degraves 730 0C et se poursuit dans un
intervalle de tempeacuterature variable suivant la teneur en carbone Pour un acier
eutectoiumlde ayant une teneur en carbone de 08 p 100 la transformation entiegravere se
produit agrave 730 0C
2 Structure des aciers
Les aciers sont agrave la tempeacuterature ambiante constitueacutes essentiellement par des
meacutelanges de ferrite et de ceacutementite Mais la superposition de ces deux constituants
peut prendre des formes tregraves diffeacuterentes selon les conditions dans lesquelles ils ont pris
naissance Les structures de lrsquoacier peuvent ainsi ecirctre extrecircmement varieacutees elles sont
aiseacutement mises en eacutevidence par les techniques de la meacutetallographie
Celles-ci comportent lrsquoexamen drsquoune surface du meacutetal tregraves soigneusement polie et
attaqueacutee par des reacuteactifs convenables qui mettent en eacutevidence par des diffeacuterences dans
lrsquointensiteacute de lrsquoattaque les divers constituants de lrsquoacier Lrsquoexamen se fait agrave lrsquoaide drsquoun
microscope optique Des proceacutedeacutes un peu diffeacuterents permettent lrsquoexamen au
microscope eacutelectronique avec des grossissements beaucoup plus grands On a pu
constater que les proprieacuteteacutes drsquoun acier eacutetaient essentiellement fonction de cette
structure par conseacutequent lrsquoobtention drsquoune structure convenable est la cleacute qui permet
drsquoattribuer agrave lrsquoacier les proprieacuteteacutes deacutesireacutees
Ces structures deacutependent des conditions dans lesquelles lrsquoacier a eacuteteacute refroidi depuis le
moment ougrave chauffeacute au-dessus du point de transformation il eacutetait constitueacute par de
lrsquoausteacutenite En particulier suivant la vitesse de refroidissement on peut avoir dans le
cas de faibles vitesses une reacutepartition dans la ferrite de particules tregraves grossiegraveres de
ceacutementite ou au contraire dans le cas de plus grandes vitesses une superposition des
deux constituants en eacuteleacutements extrecircmement fins discernables seulement avec de tregraves
forts grossissements Agrave lrsquoextrecircme on peut arriver agrave une solution de carbone dans une
ferrite deacuteformeacutee solution en eacutetat de faux eacutequilibre puisque la solubiliteacute du carbone
dans la ferrite est extrecircmement faible la structure formeacutee est la martensite degraves qursquoun
eacutechauffement aura restitueacute aux atomes de carbone une certaine mobiliteacute ils se
seacutepareront de la ferrite sous forme de carbure tandis que la ferrite retrouvera sa
cristallisation cubique centreacutee normale
La connaissance des diverses structures auxquelles peut aboutir la transformation de
lrsquoausteacutenite lors du refroidissement a accompli de grands progregraves gracircce agrave lrsquoeacutetude de
cette transformation en conditions isothermes agrave diverses tempeacuteratures Lorsqursquoon
prend un eacutechantillon drsquoun acier chauffeacute dans le domaine de lrsquoausteacutenite qursquoon le
refroidit brusquement agrave une tempeacuterature infeacuterieure agrave son point de transformation ndash par
exemple agrave 600 0C ndash et qursquoon le maintient agrave cette tempeacuterature pendant une dureacutee
suffisante on peut suivre par diffeacuterentes meacutethodes la transformation de lrsquoausteacutenite en
fonction du temps On constate alors que cette transformation deacutebute seulement apregraves
un temps drsquoincubation qui deacutepend de la composition de lrsquoacier et pour un acier
donneacute de la tempeacuterature Il peut ecirctre drsquoune fraction de seconde de quelques minutes
ou de quelques heures Apregraves cette peacuteriode drsquoincubation la transformation commence
par lrsquoapparition de ferrite ou de ceacutementite suivant que lrsquoacier est hypo- ou
hypereutectoiumlde Cette formation de ferrite ou de ceacutementite correspond agrave un
enrichissement ou agrave un appauvrissement en carbone de lrsquoausteacutenite non transformeacutee Le
pheacutenomegravene se poursuit jusqursquoau moment ougrave le meacutelange atteint la teneur eutectoiumlde de
08 p 100 de carbone Agrave partir de ce moment le constituant formeacute est un agreacutegat de
ferrite et de ceacutementite La transformation continue progressivement jusqursquoagrave ce quelle
soit complegravete
On a pu tracer ainsi pour chaque acier des diagrammes dits TTT (tempeacuterature temps
transformation) sur lesquels figurent les courbes repreacutesentant le deacutebut et la fin de la
transformation et tregraves souvent celle qui correspond agrave 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee Sur la figure 2 on voit qursquoagrave 700 0C la transformation commence apregraves
environ 20 secondes par un deacutepocirct de ceacutementite apregraves 40 secondes la transformation
produit ferrite et ceacutementite Vers 300 secondes il y a 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee et la transformation est complegravete apregraves une heure environ Lorsque la
tempeacuterature baisse la transformation est de plus en plus preacutecoce et de plus en plus
rapide Vers 450 0C elle deacutebute en moins drsquoune seconde elle est termineacutee en 3 agrave 4
secondes Aux tempeacuteratures infeacuterieures elle est de nouveau plus lente
Au-dessous drsquoune certaine tempeacuterature deacutesigneacutee par MS ndash dans ce cas vers 190 0C ndash la
transformation prend un tout autre caractegravere Elle nrsquoest plus fonction du temps mais
seulement de la tempeacuterature agrave chaque tempeacuterature une certaine fraction de lrsquoausteacutenite
est transformeacutee instantaneacutement et il faut encore un abaissement de la tempeacuterature pour
provoquer la transformation drsquoune nouvelle fraction
Ce diagramme est donneacute agrave titre drsquoexemple Les aciers allieacutes ont des diagrammes
beaucoup plus complexes des zones de tempeacuterature peuvent apparaicirctre dans
lesquelles lrsquoausteacutenite est totalement stable
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoeacutetude des transformations isothermes de lrsquoausteacutenite ne reacuteside pas
seulement dans lrsquoobservation de la cineacutetique de cette transformation Elle reacuteside aussi
dans la caracteacuterisation des structures obtenues agrave chacune des tempeacuteratures structures
qui en raison de lrsquoisothermie de la transformation sont homogegravenes La structure
observeacutee apregraves un refroidissement continu est au contraire souvent beaucoup plus
complexe elle comporte un meacutelange des structures eacuteleacutementaires
Ces structures eacuteleacutementaires sont les suivantes
ndash Par transformation peu au-dessous du point Ac1 on obtient une structure dite perlite
globulaire il srsquoagit drsquoune dispersion de globules de ceacutementite dans la ferrite la
densiteacute de ces globules eacutetant drsquoautant plus grande que le pourcentage de carbone est
lui-mecircme plus eacuteleveacute Crsquoest lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre normal entre ferrite et ceacutementite vers
lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongeacute agrave une tempeacuterature eacuteleveacutee
mais infeacuterieure agrave Ac1 On la rencontre dans lrsquoacier parfaitement recuit Elle correspond
agrave la plus faible dureteacute
ndash Agrave de plus basses tempeacuteratures on a agrave cocircteacute de la ferrite ou de la ceacutementite une
perlite lamellaire constitueacutee par des lamelles alterneacutees de ceacutementite et de ferrite Ces
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
donneacute de la tempeacuterature Il peut ecirctre drsquoune fraction de seconde de quelques minutes
ou de quelques heures Apregraves cette peacuteriode drsquoincubation la transformation commence
par lrsquoapparition de ferrite ou de ceacutementite suivant que lrsquoacier est hypo- ou
hypereutectoiumlde Cette formation de ferrite ou de ceacutementite correspond agrave un
enrichissement ou agrave un appauvrissement en carbone de lrsquoausteacutenite non transformeacutee Le
pheacutenomegravene se poursuit jusqursquoau moment ougrave le meacutelange atteint la teneur eutectoiumlde de
08 p 100 de carbone Agrave partir de ce moment le constituant formeacute est un agreacutegat de
ferrite et de ceacutementite La transformation continue progressivement jusqursquoagrave ce quelle
soit complegravete
On a pu tracer ainsi pour chaque acier des diagrammes dits TTT (tempeacuterature temps
transformation) sur lesquels figurent les courbes repreacutesentant le deacutebut et la fin de la
transformation et tregraves souvent celle qui correspond agrave 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee Sur la figure 2 on voit qursquoagrave 700 0C la transformation commence apregraves
environ 20 secondes par un deacutepocirct de ceacutementite apregraves 40 secondes la transformation
produit ferrite et ceacutementite Vers 300 secondes il y a 50 p 100 drsquoausteacutenite
transformeacutee et la transformation est complegravete apregraves une heure environ Lorsque la
tempeacuterature baisse la transformation est de plus en plus preacutecoce et de plus en plus
rapide Vers 450 0C elle deacutebute en moins drsquoune seconde elle est termineacutee en 3 agrave 4
secondes Aux tempeacuteratures infeacuterieures elle est de nouveau plus lente
Au-dessous drsquoune certaine tempeacuterature deacutesigneacutee par MS ndash dans ce cas vers 190 0C ndash la
transformation prend un tout autre caractegravere Elle nrsquoest plus fonction du temps mais
seulement de la tempeacuterature agrave chaque tempeacuterature une certaine fraction de lrsquoausteacutenite
est transformeacutee instantaneacutement et il faut encore un abaissement de la tempeacuterature pour
provoquer la transformation drsquoune nouvelle fraction
Ce diagramme est donneacute agrave titre drsquoexemple Les aciers allieacutes ont des diagrammes
beaucoup plus complexes des zones de tempeacuterature peuvent apparaicirctre dans
lesquelles lrsquoausteacutenite est totalement stable
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoeacutetude des transformations isothermes de lrsquoausteacutenite ne reacuteside pas
seulement dans lrsquoobservation de la cineacutetique de cette transformation Elle reacuteside aussi
dans la caracteacuterisation des structures obtenues agrave chacune des tempeacuteratures structures
qui en raison de lrsquoisothermie de la transformation sont homogegravenes La structure
observeacutee apregraves un refroidissement continu est au contraire souvent beaucoup plus
complexe elle comporte un meacutelange des structures eacuteleacutementaires
Ces structures eacuteleacutementaires sont les suivantes
ndash Par transformation peu au-dessous du point Ac1 on obtient une structure dite perlite
globulaire il srsquoagit drsquoune dispersion de globules de ceacutementite dans la ferrite la
densiteacute de ces globules eacutetant drsquoautant plus grande que le pourcentage de carbone est
lui-mecircme plus eacuteleveacute Crsquoest lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre normal entre ferrite et ceacutementite vers
lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongeacute agrave une tempeacuterature eacuteleveacutee
mais infeacuterieure agrave Ac1 On la rencontre dans lrsquoacier parfaitement recuit Elle correspond
agrave la plus faible dureteacute
ndash Agrave de plus basses tempeacuteratures on a agrave cocircteacute de la ferrite ou de la ceacutementite une
perlite lamellaire constitueacutee par des lamelles alterneacutees de ceacutementite et de ferrite Ces
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
lamelles sont drsquoautant plus fines que la tempeacuterature de transformation est plus basse
Elles finissent par ne plus ecirctre perceptibles en microscopie optique On a alors une
structure dite troostite La dureteacute de lrsquoacier croicirct avec la finesse de cette structure
perlitique
Aux tempeacuteratures encore plus basses ndash disons vers 400 0C ndash une nouvelle structure
dite bainite apparaicirct dont lrsquoeacuteventualiteacute est beaucoup plus freacutequente dans les aciers
allieacutes que dans lrsquoacier au carbone Cette bainite a une apparence aiguilleacutee elle aussi
drsquoautant plus fine que la tempeacuterature est plus basse On distingue parfois une bainite
supeacuterieure assez grossiegraverement aiguilleacutee et une bainite infeacuterieure qui ne peut plus
ecirctre micrographiquement reacutesolue Lagrave encore la dureteacute croicirct en mecircme temps que la
finesse des constituants (fig 2)et de faccedilon relativement consideacuterable Alors qursquoapregraves
transformation agrave 650 0C (perlite lamellaire souvent grossiegravere) la dureteacute mesureacutee avec
une machine Rockwell est 25 dans lrsquoeacutechelle C (empreinte reacutealiseacutee avec un cocircne en
diamant) elle devient 59 agrave 250 0C apregraves transformation en bainite infeacuterieure
Le mode de transformation que nous venons de deacutecrire srsquoarrecircte au point dit MS
comme nous lrsquoavons dit les processus deviennent alors tout agrave fait diffeacuterents et ne
deacutependent plus du temps mais seulement de la tempeacuterature Le constituant formeacute est
alors la martensite solution meacutetastable de carbone dans une ferrite dont le reacuteseau
cubique est deacuteformeacute et devenu quadratique Cette martensite est le constituant des
aciers trempeacutes elle est drsquoautant plus dure que lrsquoacier est plus carbureacute Agrave chaque
tempeacuterature la martensite existe en preacutesence drsquoune certaine quantiteacute drsquoausteacutenite non
transformeacutee quantiteacute drsquoautant plus faible que la tempeacuterature est plus basse Il existe
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
une tempeacuterature dite Mf agrave laquelle la transformation martensitique est complegravete mais
cette tempeacuterature est souvent infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante Agrave moins de
traitements speacuteciaux il persiste alors agrave cocircteacute de la martensite une certaine quantiteacute
drsquoausteacutenite dite reacutesiduelle dans certains cas cette austeacutenite ne peut pas se transformer
par refroidissement mecircme agrave tregraves basse tempeacuterature le point Mf eacutetant infeacuterieur aux
tempeacuteratures atteintes
La martensite est par nature instable Il suffit drsquoun chauffage et drsquoun maintien vers
100 0C pour qursquoelle rejette une tregraves grande partie du carbone qursquoelle tient en solution
Agrave mesure de ce rejet elle revient vers le reacuteseau normal cubique centreacute de la ferrite
Le carbone ainsi preacutecipiteacute lrsquoest sous forme drsquoun carbure speacutecial de formule voisine de
Fe2C Agrave plus haute tempeacuterature ce carbure se transforme lui-mecircme en ceacutementite Fe3C
Lrsquoeacutetude de la transformation isotherme de lrsquoausteacutenite conduit ainsi agrave la connaissance
des constituants pouvant en reacutesulter et des domaines de tempeacuterature dans lesquels ils
apparaissent Mais dans la pratique les aciers subissent le plus souvent un
refroidissement continu depuis lrsquoinstant ougrave ils sont purement austeacutenitiques Agrave moins
que lrsquoabaissement de la tempeacuterature ne soit assez lent pour que la transformation se
fasse tout entiegravere dans le domaine perlitique ou assez rapide pour que toute
transformation soit eacuteviteacutee avant le point MS la structure sera plus complexe on
observera la superposition de constituants formeacutes agrave mesure du passage dans les divers
domaines Ce pheacutenomegravene est peu sensible avec les aciers au carbone pour lesquels la
transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C) mais devient preacutepondeacuterant
avec les aciers allieacutes pour lesquels les structures sont souvent extrecircmement complexes
On a traceacute des diagrammes analogues aux preacuteceacutedents mais en fonction de
refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes Les courbes de
transformation sont alors assez notablement modifieacutees Si on trace agrave travers ce
diagramme une courbe correspondant agrave une vitesse deacutetermineacutee de refroidissement on
relegraveve la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants
Ces diagrammes preacutesentent un tregraves grand inteacuterecirct pratique
3 Facteurs influenccedilant la structure
Les conditions de la transformation de lrsquoausteacutenite et par conseacutequent la structure drsquoun
acier agrave la tempeacuterature ordinaire ne deacutependent pas uniquement de la vitesse de
refroidissement Elles sont fonction entre autres facteurs de la composition de lrsquoacier
En effet un acier mecircme non allieacute nrsquoest pas seulement un alliage de fer et de carbone
Il contient une certaine quantiteacute drsquoautres eacuteleacutements ajouteacutes volontairement au cours de
lrsquoeacutelaboration pour reacutepondre agrave certaines neacutecessiteacutes ou provenant drsquoimpureteacutes apporteacutees
par les matiegraveres premiegraveres et qui nrsquoont pas pu ecirctre entiegraverement eacutelimineacutees Il nrsquoest pas
rare que la teneur totale en ces eacuteleacutements deacutepasse la teneur en carbone de lrsquoacier
Les eacuteleacutements ajouteacutes volontairement sont essentiellement des deacutesoxydants ndash
manganegravese silicium aluminium etc ndash dont le rocircle est de fixer lrsquooxygegravene dissous
dans le meacutetal liquide sous une forme qursquoon a cru longtemps inactive Drsquoautres
eacuteleacutements proviennent des matiegraveres premiegraveres ou de lrsquoatmosphegravere des fours azote
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
hydrogegravene soufre phosphore etc et eacuteventuellement nickel chrome ou autres
eacuteleacutements apporteacutes par les riblons ou les ferrailles
Tous ces eacuteleacutements qursquoon appelle souvent oligo-eacuteleacutements (agrave cause de leur faible
concentration dans le meacutelange final) jouent agrave cocircteacute du carbone un rocircle important lors
de la transformation de lrsquoausteacutenite et agissent donc sur les proprieacuteteacutes de lrsquoacier Ils
modifient les vitesses de transformation dans un sens ou dans lrsquoautre mais
geacuteneacuteralement en les diminuant crsquoest-agrave-dire que les courbes du diagramme TTT sont
plus ou moins reporteacutees vers la droite
Cette influence est souvent renforceacutee par le fait qursquoils ne sont pas toujours reacutepartis
drsquoune faccedilon homogegravene dans lrsquoacier mais que comme le carbone drsquoailleurs ils peuvent
ecirctre seacutegreacutegeacutes crsquoest-agrave-dire ecirctre rassembleacutes lors de la solidification dans certaines
parties du meacutetal tregraves souvent entre les cristaux ou dans les fractions du lingot
solidifieacutees en dernier lieu Ces seacutegreacutegations tregraves importantes dans le meacutetal brut de
couleacutee srsquoatteacutenuent lors des transformations ulteacuterieures du lingot agrave lrsquooccasion des
chauffages successifs et des deacuteformations du meacutetal Mais elles restent deacutecelables
mecircme apregraves des deacuteformations importantes Les teneurs en ces eacuteleacutements peuvent ecirctre
tregraves eacuteleveacutees en certains points de lrsquoacier de sorte que les conditions de transformation
donc la structure peuvent ecirctre tregraves heacuteteacuterogegravenes Il convient cependant de souligner que
la couleacutee continue qui srsquoest deacuteveloppeacutee consideacuterablement depuis le deacutebut de la
deacutecennie soixante-dix correspond agrave une profonde modification des processus de
fabrication puisqursquoelle permet de couler directement des demi-produits et drsquoeacuteviter
ainsi la phase de deacutegrossissage au blooming ou au slabbing neacutecessaire avec la voie
lingot
Les techniques de brassage eacutelectromagneacutetique du meacutetal liquide en lingotiegravere et dans la
zone de refroidissement du demi-produit en cours de solidification permettent une
reacuteduction importante des seacutegreacutegations
La preacutesence drsquoeacuteleacutements autres que le carbone est aussi importante en raison de leur
action sur la position des courbes de transformation donc sur les constituants de
lrsquoacier apregraves un cycle de refroidissement Mais elle se manifeste eacutegalement par leur
effet sur un caractegravere important drsquoun acier sa grosseur de grain agrave lrsquoeacutetat austeacutenitique
Les meacutethodes de la meacutetallographie montrent qursquoune solution solide meacutetallique ce qui
est le cas de lrsquoausteacutenite est constitueacutee par une juxtaposition de grains ayant chacun
une orientation cristalline deacutetermineacutee Cette caracteacuteristique srsquoexplique par les
processus de germination et de croissance le deacuteveloppement drsquoun cristal agrave partir drsquoun
germe eacutetant limiteacute par celui des cristaux voisins Entre ces grains une zone de
transition deacutesorienteacutee constitue le joint de grain La grosseur de grain mesureacutee par
le nombre de cristaux dans un certain volume ou plus simplement par le nombre de
cristaux rencontreacutes dans une coupe de section deacutetermineacutee joue un rocircle important On
montre qursquoelle deacutepend drsquoune part de la tempeacuterature agrave laquelle lrsquoacier est chauffeacute et de
la dureacutee du maintien agrave cette tempeacuterature drsquoautre part drsquoun caractegravere inheacuterent agrave lrsquoacier
qui le rend plus ou moins sensible agrave un grossissement des grains pendant le chauffage
caractegravere qui est lieacute agrave la preacutesence de certaines impureteacutes ou constituants de lrsquoacier tels
que le nitrure drsquoaluminium des oxydes ou des carbures peu solubles On a montreacute par
exemple qursquoagrave un grain plus gros correspondait un deacuteplacement vers la droite des
courbes du diagramme TTT donc une plus grande stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et une
transformation plus lente
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Ainsi de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de lrsquoausteacutenite et
par conseacutequent sur la structure et les proprieacuteteacutes de lrsquoacier On retrouve en particulier
lrsquoinfluence de toute lrsquohistoire de lrsquoacier celle des matiegraveres premiegraveres dont il provient
des deacutetails du processus drsquoeacutelaboration et des deacuteformations et traitements qursquoil a subis
Cela explique la complexiteacute des pheacutenomegravenes et le fait qursquoils ne soient connus que
depuis peu de temps
4 Traitements thermiques des aciers
Ces consideacuterations sur la structure de lrsquoacier fonction des conditions de
refroidissement ont une grande importance pratique Elles sont en effet agrave la base des
divers traitements thermiques qui permettent drsquoattribuer agrave un acier un large eacuteventail
de proprieacuteteacutes
Le plus simple de ces traitements est le recuit qui comporte soit un chauffage au-
dessus du point de transformation suivi drsquoun refroidissement tregraves lent soit un
chauffage un peu au-dessous du point de transformation avec un maintien tregraves
prolongeacute agrave cette tempeacuterature suivi drsquoun refroidissement qui peut ecirctre assez rapide agrave
lrsquoair par exemple La vitesse du refroidissement dans le premier cas la dureacutee du
maintien du chauffage dans le second cas sont fonction de la composition de lrsquoacier
Le recuit fait disparaicirctre toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans lrsquoacier agrave la
suite des deacuteformations et des traitements thermiques ou meacutecaniques qursquoil avait
anteacuterieurement subis Il le ramegravene dans un eacutetat voisin de lrsquoeacutetat drsquoeacutequilibre avec une
structure de ceacutementite souvent globulaire disperseacutee dans la ferrite Crsquoest lrsquoeacutetat
drsquoadoucissement maximal qui est parfois le plus favorable pour lrsquousinage
Un autre traitement thermique souvent pratiqueacute est la normalisation celle-ci
comporte un chauffage au-dessus du point de transformation suivi drsquoun
refroidissement agrave lrsquoair Il en reacutesulte un adoucissement et lrsquoeacutelimination drsquoune grande
partie des contraintes mais la structure et les proprieacuteteacutes ne sont pas toujours bien
deacutefinies puisque la vitesse de refroidissement est fonction de la dimension de la barre
ou de la piegravece La normalisation permet cependant de mettre le meacutetal dans un eacutetat bien
reproductible compte tenu de ces reacuteserves
Mais le durcissement par trempe est peut-ecirctre le traitement thermique le plus
important Il consiste agrave chauffer lrsquoacier au-dessus du point de transformation ndash crsquoest ce
que nous avons appeleacute lrsquoausteacutenitisation ndash et agrave le refroidir brusquement par immersion
dans un liquide eau ou huile ou mecircme simplement agrave lrsquoair pour certains aciers (dits
parfois autotrempants) Lrsquoalliage acquiert alors une grande dureteacute drsquoautant plus
grande qursquoil est plus carbureacute
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Rappelons que dans cet eacutetat la structure de lrsquoacier est dite martensitique elle
comporte parfois des restes drsquoausteacutenite non transformeacutee ce qui explique la dureteacute
moindre des aciers allieacutes tregraves carbureacutes Cette structure est fondamentalement instable
le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite
La deacuteformation du reacuteseau cubique centreacute de la ferrite en un reacuteseau quadratique est la
cause de la dureteacute eacuteleveacutee de la martensite Mais elle provoque eacutegalement une fragiliteacute
drsquoautant plus grande que la teneur en carbone est plus eacuteleveacutee Le durcissement par
trempe est donc accompagneacute drsquoune fragilisation Crsquoest pour cette raison que le
traitement de trempe est habituellement suivi drsquoun revenu qui est un chauffage avec
maintien plus ou moins prolongeacute agrave une tempeacuterature infeacuterieure au point de
transformation Ce revenu a pour effet un adoucissement avec simultaneacutement une
diminution de la fragiliteacute Il permet drsquoajuster les caracteacuteristiques de reacutesistance et de
ductiliteacute de lrsquoacier agrave celles qui conviennent pour lrsquoemploi envisageacute
Les pheacutenomegravenes se produisant au cours du revenu sont parfois tregraves complexes Dans le
cas des aciers non allieacutes la ceacutementite preacutecipite puis se coalesce agrave mesure que la
tempeacuterature srsquoeacutelegraveve ou que la dureacutee du revenu srsquoaccroicirct la dureteacute diminue
progressivement En preacutesence drsquoeacuteleacutements drsquoalliage la preacutecipitation de carbures allieacutes
autres que la ceacutementite complique beaucoup les pheacutenomegravenes Il peut mecircme se
produire dans certaines zones de tempeacuterature des durcissements secondaires Il faut
tenir compte enfin de la deacutecomposition de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle eacuteventuelle soit au
cours du revenu soit pendant le refroidissement conseacutecutif agrave ce traitement Les
conditions du revenu crsquoest-agrave-dire la tempeacuterature atteinte et la dureacutee du maintien
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
doivent ecirctre fixeacutees suivant le but viseacute en tenant compte de la composition de lrsquoacier et
de cette complexiteacute des pheacutenomegravenes
Il existe bien drsquoautres traitements thermiques pouvant ecirctre appliqueacutes aux aciers en
particulier certaines variantes dans le processus mecircme de la trempe on peut par
exemple immerger lrsquoacier non pas dans un liquide froid mais dans un bain agrave
tempeacuterature plus ou moins eacuteleveacutee et lrsquoy maintenir un certain temps On peut modifier
ainsi les structures de trempe ou eacuteviter des deacuteformations et obtenir une grande varieacuteteacute
de reacutesultats
Dans certains cas ces traitements thermiques ne sont appliqueacutes qursquoagrave une partie drsquoune
piegravece drsquoacier en geacuteneacuteral la surface et sur une profondeur limiteacutee Cela peut ecirctre
obtenu en chauffant la piegravece partiellement soit en la maintenant dans un four un temps
insuffisant pour laisser la chaleur peacuteneacutetrer jusqursquoau centre soit en appliquant des
modes de chauffage particuliers qui nrsquointeacuteressent que la surface (chalumeaux
chauffage par induction)
Drsquoautres traitements consistent agrave modifier superficiellement la composition de lrsquoacier
par exemple en y incorporant du carbone (ceacutementation) ou de lrsquoazote (nitruration) ou
les deux eacuteleacutements simultaneacutement (carbonitruration)
On peut ainsi faire varier dans de tregraves larges limites les proprieacuteteacutes des aciers en
agissant sur les traitements thermiques qursquoil est possible de leur faire subir Crsquoest lagrave
tregraves certainement lrsquoorigine du deacuteveloppement extraordinaire de leurs utilisations
5 Proprieacuteteacutes des aciers Leur expression
Lrsquoeacutevaluation des possibiliteacutes drsquoutilisation des divers aciers dans les eacutetats variables
auxquels ils peuvent ecirctre ameneacutes par des traitements se fait en deacuteterminant un certain
nombre de grandeurs relatives aux diverses proprieacuteteacutes du meacutetal Les plus courantes
sinon les plus importantes se rattachent drsquoune part agrave la teacutenaciteacute de lrsquoacier crsquoest-agrave-
dire agrave la reacutesistance opposeacutee aux deacuteformations drsquoautre part agrave la ductiliteacute crsquoest-agrave-dire agrave
la capaciteacute de se deacuteformer sans se rompre ces deux qualiteacutes eacutetant dans une certaine
deacutependance
Parmi les grandeurs les plus couramment deacutetermineacutees nous citerons drsquoabord la dureteacute
qui srsquoexprime comme une reacutesistance agrave lrsquoenfoncement On mesure la profondeur de
peacuteneacutetration drsquoune bille drsquoun cocircne ou drsquoune pyramide appliqueacutee sur lrsquoacier avec une
force deacutetermineacutee La bille est en acier dur ou en carbure de tungstegravene (essai Brinell)
Le cocircne (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant La force
appliqueacutee a plusieurs valeurs possibles et il existe naturellement autant drsquoeacutechelles de
dureteacute que de valeurs de la charge les dureteacutes de meacutetaux diffeacuterents ne pouvant ecirctre
compareacutees que si elles sont deacutetermineacutees suivant la mecircme meacutethode et avec la mecircme
charge Des tables de correspondance approximative entre les eacutechelles ont eacuteteacute eacutetablies
Bien qursquoelles mettent en jeu des proprieacuteteacutes diffeacuterentes du meacutetal ndash reacutesistance agrave la
deacuteformation drsquoune part capaciteacute de durcissement par deacuteformation (eacutecrouissage)
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
drsquoautre part ndash les mesures de dureteacute sont tregraves largement pratiqueacutees en raison de leur
simpliciteacute et du fait qursquoelles nrsquoentraicircnent pas de destruction de meacutetal
Drsquoautres grandeurs tregraves freacutequemment utiliseacutees sont celles que lrsquoon obtient gracircce agrave
lrsquoessai de traction Cet essai consiste agrave soumettre une eacuteprouvette drsquoacier agrave une charge
croissant jusqursquoagrave provoquer la rupture On deacutetermine ainsi une limite eacutelastique qui est
la charge maximale que peut subir le meacutetal sans subir une deacuteformation permanente et
une charge de rupture qui est la charge maximale que peut supporter lrsquoeacuteprouvette
sans se rompre Ces charges sont rapporteacutees agrave la section initiale de lrsquoeacuteprouvette et
exprimeacutees en meacutegapascals (symbole MPa 1 MPa = 0102 kgfmm2) Dans lrsquoessai de
traction on mesure aussi lrsquoallongement de lrsquoeacuteprouvette au moment de la rupture et la
striction qui est le rapport entre la section de lrsquoeacuteprouvette au niveau de la rupture et
sa section initiale La limite eacutelastique et la charge de rupture expriment la teacutenaciteacute de
lrsquoacier tandis que lrsquoallongement et la striction sont des mesures de la ductiliteacute
Ces grandeurs peuvent tregraves largement varier Si lrsquoacier doux le plus reacutepandu a une
charge de rupture de lrsquoordre de 350 meacutegapascals il est tregraves courant drsquoutiliser des aciers
ayant des reacutesistances agrave la rupture allant jusqursquoagrave 1 000 meacutegapascals et au-delagrave Pour des
emplois speacuteciaux on sait maintenant fabriquer des aciers dont la reacutesistance deacutepasse
3 000 meacutegapascals Les mecircmes variations srsquoobservent pour les caracteacuteristiques de
ductiliteacute Des aciers tregraves reacutesistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2
p 100 tandis qursquoil nrsquoest pas rare de trouver des aciers speacuteciaux ne se rompant
qursquoapregraves des allongements de 50 agrave 60 p 100 La striction subit des variations encore
plus grandes
On dispose ainsi pour caracteacuteriser les aciers et pour calculer les conditions de leur
utilisation de grandeurs refleacutetant bien une partie notable de leurs proprieacuteteacutes Ces
grandeurs sont drsquoailleurs souvent combineacutees dans les indices de qualiteacute Un indice
utiliseacute pour les aciers au carbone reacuteunit la charge de rupture R et lrsquoallongement A dans
la formule N = R+ 25 A Comme pour un acier donneacute lrsquoallongement diminue lorsque
la reacutesistance augmente on a ainsi un indice assez caracteacuteristique drsquoun acier quel que
soit entre certaines limites lrsquoeacutetat dans lequel il se trouve
Une autre grandeur caracteacuterisant la ductiliteacute de lrsquoacier et plus particuliegraverement sa
reacutesistance aux chocs est la reacutesilience qui exprime le travail neacutecessaire pour rompre
par flexion sous lrsquoeffet drsquoun choc une eacuteprouvette portant une entaille de forme et de
profondeur deacutetermineacutees Le travail neacutecessaire pour la rupture est exprimeacute en joules par
centimegravetre carreacute de section Si la reacutesilience nrsquoest pas une grandeur pouvant comme la
charge de rupture et la limite eacutelastique ecirctre introduite dans les calculs elle nrsquoen
constitue pas moins une excellente caracteacuteristique drsquoeacutevaluation de lrsquoacier Nous
noterons en particulier qursquoelle varie largement suivant la position de lrsquoeacuteprouvette
dans la piegravece crsquoest-agrave-dire suivant que lrsquoeacuteprouvette est preacuteleveacutee parallegravelement (L) ou
perpendiculairement (T) aux fibres du meacutetal Le rapport LT qui peut varier de 11 agrave
3 ou 4 est une bonne mesure de lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du meacutetal et de ses proprieacuteteacutes
directionnelles
Si par ailleurs pour un acier donneacute on eacutetudie la variation de la reacutesilience en fonction
de la tempeacuterature drsquoessai on observe une brusque variation de part et drsquoautre drsquoune
certaine tempeacuterature Au-dessus de celle-ci on constate des valeurs relativement
eacuteleveacutees de la reacutesilience avec un aspect de la cassure caracteacuteristique drsquoun acier ductile
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Au-dessous de cette tempeacuterature les valeurs de la reacutesilience sont plus faibles et
lrsquoaspect de la cassure correspond agrave un acier fragile Cette tempeacuterature limitant les
domaines de ductiliteacute et de fragiliteacute de lrsquoacier est dite tempeacuterature de transition elle
est consideacutereacutee comme un indice important de la qualiteacute de lrsquoacier en particulier
lorsque celui-ci doit ecirctre soumis agrave de basses tempeacuteratures Elle est un indice du risque
de propagation drsquoune fissure donc du risque de rupture Ces essais sont avant tout
utiliseacutes pour la reacuteception et le classement des aciers Des essais plus sophistiqueacutes
deacuteveloppeacutes en meacutecanique de la rupture permettent de deacuteterminer des caracteacuteristiques
utilisables pour le calcul des structures
Il existe bien drsquoautres grandeurs permettant de caracteacuteriser un acier et drsquoorienter son
utilisation On les deacutetermine par des essais soit statiques soit dynamiques en mettant
en jeu des contraintes soit uniaxiales soit bi- ou triaxiales Drsquoougrave une grande varieacuteteacute
drsquoessais dont certains sont eacutetablis en vue drsquoun emploi particulier Sans pouvoir les
citer tous nous mentionnerons les essais de fluage par lesquels on deacutetermine les
proprieacuteteacutes drsquoun acier aux tempeacuteratures eacuteleveacutees (deacuteformation en fonction du temps ou
temps de rupture sous une charge deacutetermineacutee) les essais de compression de
cisaillement de flexion drsquoemboutissage Mentionnons encore les essais
drsquo endurance il est connu que les meacutetaux soumis agrave des sollicitations alterneacutees
peuvent par suite de pheacutenomegravenes de fatigue se rompre sous une charge tregraves infeacuterieure
agrave la charge de rupture en traction La connaissance de la limite drsquoendurance crsquoest-agrave-
dire de la sollicitation que supportera lrsquoacier sans se rompre quel que soit le nombre
drsquoalternances a un inteacuterecirct certain Il faut pourtant retenir que la rupture drsquoune piegravece agrave
la suite de pheacutenomegravenes de fatigue doit ecirctre plus souvent attribueacutee agrave la piegravece elle-mecircme
(forme eacutetat de surface etc) qursquoagrave la qualiteacute de lrsquoacier
Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqueacutes Nous citerons ceux qui
sont relatifs agrave une proprieacuteteacute importante de lrsquoacier sa capaciteacute de trempe ou
trempabiliteacute qui exprime la possibiliteacute drsquoobtenir par trempe une structure
martensitique Un acier agrave faible capaciteacute de trempe devra ecirctre trempeacute eacutenergiquement
dans lrsquoeau et encore le reacutesultat ne sera-t-il obtenu que pour des piegraveces de petites
dimensions Agrave un accroissement de la trempabiliteacute correspond une augmentation des
dimensions pour lesquelles ce reacutesultat est atteint ou le remplacement du
refroidissement dans lrsquoeau par une immersion dans des conditions moins brutales
dans lrsquohuile par exemple Un acier agrave forte trempabiliteacute pourra mecircme devenir
martensitique apregraves un simple refroidissement agrave lrsquoair
On conccediloit lrsquoimportance de cette notion qui correspond en fait agrave la vitesse de
transformation de lrsquoausteacutenite La connaissance de la trempabiliteacute est fondamentale
pour lrsquoeacutetablissement des conditions des traitements thermiques Plusieurs essais
pratiques ont eacuteteacute proposeacutes Le plus reacutepandu est lrsquoessai Jominy On obtient une courbe
qui est repreacutesentative de la capaciteacute de trempe de lrsquoacier et qui dans certaines
conditions permettra drsquoeacutevaluer la dureteacute en divers points drsquoune piegravece trempeacutee
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
6 Deacutefauts et maladies des aciers Controcircle de qualiteacute
Les nombres repreacutesentant les divers aspects des proprieacuteteacutes des aciers ne rendent pas
entiegraverement compte de la qualiteacute de chacun drsquoeux Srsquoils correspondent assez bien au
point de vue du meacutecanicien ils ne suffisent pas il faut envisager eacutegalement des
proprieacuteteacutes plus purement physiques du meacutetal Nous avons fait allusion agrave
lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute et aux proprieacuteteacutes directionnelles drsquoune piegravece drsquoacier crsquoest un des
pheacutenomegravenes complexes qursquoon peut englober sous lrsquoappellation de deacutefauts et maladies
des aciers Lrsquoheacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute est lieacutee aux seacutegreacutegations crsquoest-agrave-dire aux irreacutegulariteacutes de
composition se produisant lors de la solidification et qui ne peuvent pas ecirctre
entiegraverement effaceacutees lors des transformations et traitements ulteacuterieurs Ces
seacutegreacutegations parfois lieacutees agrave des deacutegagements gazeux persistent dans lrsquoacier et peuvent
ecirctre agrave lrsquoorigine de divers autres deacutefauts
Les inclusions non meacutetalliques que lrsquoon rencontre dans tous les aciers normalement
eacutelaboreacutes constituent eacutegalement un deacutefaut pouvant avoir des conseacutequences graves Les
plus grosses proviennent drsquoentraicircnement de laitier ou de reacutefractaire elles sont
accidentelles et doivent pouvoir ecirctre eacuteviteacutees gracircce agrave des preacutecautions speacuteciales Les plus
petites les plus nombreuses drsquoailleurs sont au contraire inheacuterentes agrave lrsquoacier et sont
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
lieacutees au processus mecircme drsquoeacutelaboration et surtout agrave la phase de deacutesoxydation leur
formation peut continuer mecircme pendant la solidification Si leurs inconveacutenients sont
moins graves elles nrsquoen ont pas moins une influence profonde sur les proprieacuteteacutes de
lrsquoacier En fait les progregraves reacutealiseacutes depuis le deacutebut de la deacutecennie quatre-vingt au
niveau des proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration et de couleacutee sont consideacuterables et permettent
lrsquoobtention drsquoaciers homogegravenes de haute pureteacute les problegravemes qui viennent drsquoecirctre
eacutevoqueacutes sont donc largement minimiseacutes
Des criques et des tapures peuvent se produire soit au cours de la solidification soit
pendant les transformations ulteacuterieures Si elles nrsquoont pas pu ecirctre eacutelimineacutees degraves leur
formation elles entraicircnent le rejet de lrsquoacier en cours de fabrication et lrsquoutilisateur ne
les rencontre guegravere On peut cependant observer des fissures internes se produisant agrave
lrsquooccasion du forgeage ou du laminage Elles sont souvent lieacutees agrave des seacutegreacutegations et
parfois agrave des deacutegagements gazeux (hydrogegravene) Agrave ce dernier type de deacutefauts se
rattachent les flocons
Des deacutefauts peuvent eacutegalement apparaicirctre lors des traitements thermiques Nous ne
parlons pas lagrave des malfaccedilons de traitement telles qursquoun cycle de tempeacuterature incorrect
mais de deacutefauts tels que la deacutecarburation ou la carburation superficielle ou encore de
tapures provenant drsquoun mode de refroidissement mal adapteacute agrave la forme de la piegravece ou agrave
la nuance de lrsquoacier Il peut se produire encore une alteacuteration des caracteacuteristiques
meacutecaniques (fragilisation) soit parce que lrsquoacier a eacuteteacute chauffeacute agrave trop haute tempeacuterature
(surchauffe) soit par suite drsquoun revenu dans une zone de tempeacuterature ne convenant
pas pour lrsquoacier traiteacute (fragiliteacute de revenu)
Bien drsquoautres deacutefauts encore peuvent ecirctre rencontreacutes dans les aciers Il est donc
eacutevident que la deacutetermination des grandeurs mesurables ne peut pas suffire pour
appreacutecier la qualiteacute Outre ces deacuteterminations le controcircle de la qualiteacute comportera
lrsquoexamen de lrsquoacier ou de la piegravece agrave lrsquoaide de meacutethodes faisant appel aux ressources de
la technique la plus eacutevolueacutee On utilisera des meacutethodes magneacutetiques ou
eacutelectromagneacutetiques pour lrsquoexamen des surfaces des rayonnements ultrasonores pour
sonder lrsquointeacuterieur du meacutetal et mettre en eacutevidence des inclusions ou des fissures
internes Lrsquoexamen par transparence agrave lrsquoaide de rayons X ou de rayonnement g
provenant de substances radioactives permet eacutegalement de srsquoassurer de lrsquoabsence de
deacutefauts internes et mecircme de les observer agrave distance agrave lrsquoaide de cameacuteras de teacuteleacutevision
La perfection des meacutethodes de controcircle permet maintenant drsquoutiliser lrsquoacier avec une
grande seacutecuriteacute
7 Deacutesignation des aciers
La deacutesignation normaliseacutee franccedilaise des aciers se fait suivant plusieurs modes selon la
cateacutegorie drsquoacier
La deacutesignation conventionnelle des aciers drsquousage geacuteneacuteral ne neacutecessitant pas de
traitement thermique est fondeacutee sur les caracteacuteristiques meacutecaniques (reacutesistance agrave la
traction ou limite eacutelastique) ou sur des caracteacuteristiques particuliegraveres Par exemple
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
lrsquoacier de construction drsquousage geacuteneacuteral de limite eacutelastique minimale de
240 meacutegapascals de qualiteacute 1 est deacutesigneacute E24-1 drsquoapregraves la norme NF A 35-501
La deacutesignation des aciers non allieacutes speacuteciaux pour traitement thermique est fondeacutee
sur leur teneur en carbone On distingue
ndash la seacuterie CC dans laquelle le symbole CC est suivi drsquoun nombre de 2 ou 3 chiffres
eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne centeacutesimale en carbone un acier non allieacute pour
traitement thermique dont la teneur en carbone est comprise entre 005 p 100 et
015 p 100 sera deacutesigneacute par CC10
ndash la seacuterie XC reacuteserveacutee aux aciers dont lrsquoeacutetendue de la teneur en carbone est plus
eacutetroite le symbole XC est suivi drsquoun nombre eacutegal agrave cent fois la teneur moyenne
centeacutesimale en carbone
En ce qui concerne les aciers allieacutes nous verrons plus loin le mode de deacutesignation
adopteacute fondeacute sur la composition chimique en geacuteneacuteral et qui distingue les aciers dont
aucun eacuteleacutement drsquoalliage ne deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse et les aciers dont
un eacuteleacutement drsquoalliage au moins deacutepasse la teneur de 5 p 100 en masse
8 Aciers allieacutes
Les eacuteleacutements drsquoalliage utiliseacutes pour lrsquoeacutelaboration des aciers allieacutes sont tregraves nombreux
Ils agissent sur leur structure et modifient par lagrave certaines de leurs proprieacuteteacutes mais ils
peuvent aussi attribuer agrave lrsquoacier des proprieacuteteacutes entiegraverement nouvelles Les eacuteleacutements les
plus freacutequemment incorporeacutes sont outre le silicium et le manganegravese le nickel et
le chrome viennent ensuite le molybdegravene le tungstegravene et le vanadium puis moins
freacutequemment lrsquoaluminium le titane le niobium Le cobalt le cuivre le bore le
soufre le phosphore lrsquoazote reacutepondent aussi agrave certains buts particuliers
Chacun de ces eacuteleacutements se caracteacuterise par une tendance dominante soit agrave rester dissous
dans la ferrite soit agrave former avec le carbone un carbure analogue agrave la ceacutementite ou de
composition tregraves diffeacuterente Comme lrsquoacier ordinaire les aciers allieacutes ont le plus
souvent une structure agrave deux phases ndash ferrite et carbure ndash plus ou moins seacutepareacutees
lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage se retrouve dans lrsquoune ou lrsquoautre de ces phases parfois mecircme dans
les deux
Lrsquoeacuteleacutement le plus freacutequemment utiliseacute est le chrome On le retrouve agrave la fois dans la
ferrite et dans les carbures Il agit drsquoune part sur les points de transformation de
lrsquoacier drsquoautre part sur la vitesse agrave laquelle se transforme lrsquoausteacutenite au cours du
refroidissement
Le point de transformation a X g au chauffage est peu modifieacute il est drsquoabord abaisseacute
par des teneurs en chrome allant jusqursquoagrave 8 p 100 puis releveacute au-delagrave En revanche le
point de transformation g X d est reacuteguliegraverement abaisseacute de sorte que lrsquointervalle entre
les deux points ndash crsquoest-agrave-dire le domaine de tempeacuterature ougrave lrsquoausteacutenite est stable ndash
diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente jusqursquoau moment ougrave il
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
disparaicirct lrsquoacier ne passe plus lors du chauffage par lrsquoeacutetat austeacutenitique Cela se
produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p 100 pour les aciers tregraves peu
carbureacutes et seulement de 30 p 100 lorsque la teneur en carbone atteint 04 p 100 La
figure scheacutematise ce pheacutenomegravene Les eacuteleacutements qui comme le chrome limitent ou
empecircchent la formation de lrsquoausteacutenite sont appeleacutes alphagegravenes et les aciers qui ne
subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours agrave lrsquoeacutetat a sont dits
ferritiques
Cette absence de transformation a une conseacutequence importante ne passant pas par
lrsquoeacutetat austeacutenitique lrsquoacier ne peut pas subir un durcissement par trempe Il nrsquoy a en
mecircme temps aucune possibiliteacute de reacutegeacuteneacuteration de la structure autrement que par une
deacuteformation meacutecanique agrave chaud
Une deuxiegraveme action du chrome se manifeste par un ralentissement des
transformations de lrsquoausteacutenite pendant le refroidissement Cela correspond agrave une
augmentation de la trempabiliteacute le domaine de transformation martensitique pourra
ecirctre atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement Des aciers au chrome
pourront ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au revenu lorsque lrsquoacier apregraves la
trempe est soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et agrave de plus hautes
tempeacuteratures La figure donne un exemple de ce comportement qui est lieacute agrave une
preacutecipitation durcissante de carbures de chrome et eacuteventuellement agrave la transformation
de lrsquoausteacutenite reacutesiduelle Les carbures preacutecipiteacutes peuvent ecirctre du type ceacutementite dans
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
laquelle le chrome remplace une partie du fer ou avoir les compositions Cr7C3 ou
Cr23C6
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance
agrave la corrosion Pour des teneurs supeacuterieures agrave 12 p 100 le chrome provoque la
formation drsquoune couche oxydeacutee agrave la surface de lrsquoacier celle-ci le protegravege contre les
attaques chimiques Pour cette raison le chrome est la base drsquoune tregraves importante
gamme drsquoaciers speacuteciaux
Le nickel trouve eacutegalement de tregraves freacutequents emplois dans les aciers allieacutes Il preacutesente
deux diffeacuterences essentielles avec le chrome il se dissout dans la ferrite et ne forme
pas de carbures il abaisse le point de transformation a X g mais non g X d de sorte
que le domaine drsquoexistence de lrsquoausteacutenite est eacutelargi Ainsi le nickel est le type des
eacuteleacutements dits gammagegravenes qui favorisent la formation drsquoausteacutenite
En mecircme temps le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et ralentit sa
transformation pendant le refroidissement donc augmente la trempabiliteacute tout en
abaissant la tempeacuterature MS agrave partir de laquelle se forme la martensite Cette
tempeacuterature peut devenir infeacuterieure agrave la tempeacuterature ambiante de sorte que lrsquoacier
reste austeacutenitique agrave la tempeacuterature ordinaire Crsquoest ainsi qursquoun acier contenant 02 p
100 de carbone et 10 p 100 de nickel est martensitique mecircme avec un refroidissement
tregraves lent Avec 25 p 100 de nickel il reste austeacutenitique
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel apregraves un
refroidissement lent en fonction des teneurs en carbone et en nickel Avec des
refroidissements rapides les aciers contenant moins de 10 p 100 de nickel ont aussi
une structure martensitique
En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers le nickel ameacuteliore la
ductiliteacute surtout aux tregraves basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement drsquoobtenir des aciers
ayant des proprieacuteteacutes particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient de dilatation une
faible variation du module drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute magneacutetique
La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibiliteacutes pour de
faibles teneurs on additionne les effets favorables sur la trempabiliteacute la reacutesistance au
revenu et la ductiliteacute pour de plus fortes teneurs on combine la reacutesistance agrave
lrsquooxydation et agrave la corrosion apporteacutee par le chrome avec le caractegravere gammagegravene du
nickel afin drsquoobtenir des aciers austeacutenitiques inoxydables Le choix judicieux des
proportions de ces deux eacuteleacutements permet lrsquoobtention de diverses structures et la
deacutecouverte drsquoune large gamme drsquoemploi
Le silicium se rencontre dans tous les aciers avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02
agrave 05 p 100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il intervient parfois comme
eacuteleacutement drsquoalliage avec de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la limite eacutelastique
soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave proprieacuteteacutes
particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un eacuteleacutement
alphagegravene mais il ne forme pas de carbures
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les aciers comme deacutesoxydant Dans les
aciers allieacutes il se comporte dans un certain sens comme le nickel il augmente la
trempabiliteacute permet drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique stable Mais il
participe agrave la formation de carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il remplace une
partie du fer
Le molybdegravene se rencontre dans beaucoup drsquoaciers allieacutes Comme le chrome il est
alphagegravene et plus que lui encore tend agrave former des carbures Il augmente la
trempabiliteacute
Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres alphagegravene et formateur de carbures
sont encore accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment utiliseacutes pour obtenir des aciers
durs et reacutesistants
Le titane et le niobium sont employeacutes essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit de fixer cet eacuteleacutement sous une forme
stable Ce sont aussi de bons deacutesoxydants
Lrsquoaluminium est avant tout un puissant deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement
comme eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il intervient dans certains
processus de durcissement
Preacutecisons que le titane le niobium et lrsquoaluminium forment facilement des nitrures avec
lrsquoazote que contient le meacutetal Ces nitrures bloquent les joints de grains austeacutenitiques
lors drsquoun traitement drsquoausteacutenitisation agrave haute tempeacuterature et inhibent donc leur
croissance ce qui a des conseacutequences beacuteneacutefiques sur la finesse des produits de
transformation g X a donc sur les proprieacuteteacutes meacutecaniques des structures obtenues Ce
controcircle de la taille du grain g par des nitrures est largement utiliseacute dans la pratique
industrielle On sait aussi faire preacutecipiter les nitrures de titane et de niobium au cours
de traitements thermiques ou thermomeacutecaniques afin de mettre en œuvre un
durcissement par preacutecipitation
Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux dont il modifie certains processus
structuraux
Le bore ajouteacute agrave lrsquoacier en quantiteacute extrecircmement faible accroicirct la trempabiliteacute et
dans des aciers tregraves speacuteciaux ameacuteliore la reacutesistance meacutecanique et la ductiliteacute aux
tempeacuteratures eacuteleveacutees
Le soufre le plomb le tellure augmentent sensiblement la faciliteacute drsquousinage et
permettent drsquoaccroicirctre les vitesses de coupe
Le phosphore et le cuivre en petites proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Bien drsquoautres eacuteleacutements ont eacuteteacute sporadiquement ajouteacutes agrave lrsquoacier Ceux que nous avons
citeacutes sont les plus usuels Ils sont rarement employeacutes seuls Le plus souvent les aciers
allieacutes contiennent deux ou trois drsquoentre eux ou plus encore Ces teneurs ajouteacutees
peuvent constituer depuis 1 p 100 jusqursquoagrave parfois 30 ou 40 p 100 du poids de
lrsquoalliage
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Diverses cateacutegories drsquoaciers allieacutes
On conccediloit qursquoun tregraves grand nombre drsquoaciers allieacutes puissent ecirctre imagineacutes Dans la
pratique on en fabrique couramment quelques centaines On peut les classer pour
plus de clarteacute en quelques groupes suivant leurs utilisations principales On
distinguera
ndash des aciers de construction tregraves largement reacutepandus dans la fabrication des
dispositifs meacutecaniques dans la construction de machines les industries automobile et
aeacuterospatiales etc
ndash des aciers agrave outils qui se distinguent par une grande dureteacute et une bonne reacutesistance
agrave lrsquousure ils sont utiliseacutes pour des outillages de toute espegravece et pour lrsquousinage
ndash des aciers inoxydables reacutesistant aux attaques chimiques par lrsquoatmosphegravere ou par
les diffeacuterents reacuteactifs auxquels se rattachent des aciers dits reacutefractaires ayant une
bonne reacutesistance chimique et meacutecanique aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
ndash des aciers agrave proprieacuteteacutes particuliegraveres parmi lesquels nous classerons les aciers agrave
aimants
Ces diffeacuterents aciers allieacutes constituent une part croissante de la production
sideacuterurgique mondiale
Pendant longtemps les aciers allieacutes nrsquoont eacuteteacute connus que par leurs marques
commerciales Des normes ont fixeacute deacutesormais les conditions de leur deacutesignation
Drsquoapregraves la norme franccedilaise NF A 02-005 les aciers sont deacutesigneacutes par la succession
drsquoun nombre drsquoun groupe de lettres et drsquoun groupe de chiffres Pour les aciers
fortement allieacutes crsquoest-agrave-dire ceux dans lesquels un eacuteleacutement drsquoaddition au moins atteint
la teneur de 5 p 100 la deacutesignation est preacuteceacutedeacutee par la lettre Z Le premier nombre est
eacutegal agrave la teneur centeacutesimale moyenne en carbone
Le groupe de lettres correspond aux principaux eacuteleacutements drsquoalliage classeacutes dans lrsquoordre
des teneurs deacutecroissantes Ces eacuteleacutements sont symboliseacutes par une lettre notons que
cette lettre diffegravere en geacuteneacuteral du symbole chimique usuel
Eleacutements (symbole chimique) Symbole Coef Utiliteacute
Aluminium (Al) A 10 Lrsquoaluminium est avant tout un puissant
deacutesoxydant Il se rencontre plus rarement comme
eacuteleacutement drsquoalliage dans des cas particuliers ougrave il
intervient dans certains processus de
durcissement
Chrome (Cr) C 4 Le Chrome augmente la trempabiliteacute le domaine
de transformation martensitique pourra ecirctre
atteint avec de plus faibles vitesses de
refroidissement Des aciers au chrome pourront
ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Le chrome augmente eacutegalement la reacutesistance au
revenu lorsque lrsquoacier apregraves la trempe est
soumis agrave un revenu il srsquoadoucit plus lentement et
agrave de plus hautes tempeacuteratures
Enfin une importante proprieacuteteacute du chrome est de
donner agrave lrsquoacier une bonne reacutesistance agrave la
corrosion
Cobalt (Co) K 4 Le cobalt est utiliseacute dans des aciers tregraves speacuteciaux
dont il modifie certains processus structuraux
Cuivre (Cu) U 10 Le phosphore et le cuivre en petites
proportions ameacuteliorent la reacutesistance de lrsquoacier agrave
lrsquooxydation par lrsquoair
Manganegravese (Mn) M 4 Le manganegravese intervient eacutegalement dans tous les
aciers comme deacutesoxydant Dans les aciers allieacutes
il se comporte dans un certain sens comme le
nickel il augmente la trempabiliteacute permet
drsquoobtenir des aciers agrave structure austeacutenitique
stable Mais il participe agrave la formation de
carbures et se trouve dans la ceacutementite ougrave il
remplace une partie du fer
Molybdegravene (Mo) D 10 Le Molybdegravene augmente la trempabiliteacute
Nickel (Ni) N 4 Le nickel augmente la stabiliteacute de lrsquoausteacutenite et
ralentit sa transformation pendant le
refroidissement donc augmente la trempabiliteacute
tout en abaissant la tempeacuterature
le nickel ameacuteliore la ductiliteacute surtout aux tregraves
basses tempeacuteratures Il permet eacutegalement
drsquoobtenir des aciers ayant des proprieacuteteacutes
particuliegraveres telles qursquoun tregraves faible coefficient
de dilatation une faible variation du module
drsquoeacutelasticiteacute ou une grande permeacuteabiliteacute
magneacutetique
Niobium (Nb) Nb 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Silicium (Si) S 4 Le silicium se rencontre dans tous les aciers
avec de faibles teneurs de lrsquoordre de 02 agrave 05 p
100 il est alors utiliseacute comme deacutesoxydant Il
intervient parfois comme eacuteleacutement drsquoalliage avec
de plus fortes teneurs soit pour ameacuteliorer la
limite eacutelastique soit pour accroicirctre la reacutesistance agrave
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
lrsquooxydation soit encore dans des aciers agrave
proprieacuteteacutes particuliegraveres (haute permeacuteabiliteacute
magneacutetique) Comme le chrome crsquoest un
eacuteleacutement alphagegravene mais il ne forme pas de
carbures
Titane (Ti) T 10 Le titane et le niobium sont employeacutes
essentiellement en raison de leur tregraves grande
affiniteacute pour le carbone surtout lorsqursquoil srsquoagit
de fixer cet eacuteleacutement sous une forme stable Ce
sont aussi de bons deacutesoxydants
Tungstegravene (W) W 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Vanadium (V) V 10 Avec le tungstegravene et le vanadium les caractegraveres
alphagegravene et formateur de carbures sont encore
accentueacutes Ces eacuteleacutements sont freacutequemment
utiliseacutes pour obtenir des aciers durs et reacutesistants
Le groupe de chiffres indique les teneurs en eacuteleacutements Dans le cas des aciers
faiblement allieacutes la teneur moyenne est multiplieacutee par les coefficients suivants 4 pour
le chrome le cobalt le manganegravese le nickel le silicium 10 pour lrsquoaluminium le
cuivre le molybdegravene le niobium le titane le tungstegravene le vanadium
Pour les aciers fortement allieacutes (un eacuteleacutement agrave teneur eacutegale ou supeacuterieure agrave 5 p 100)
les chiffres expriment la teneur moyenne de lrsquoeacuteleacutement
En geacuteneacuteral seule la teneur de lrsquoeacuteleacutement principal est indiqueacutee Ce nrsquoest que lorsqursquoil
est neacutecessaire drsquoeacuteviter une confusion que lrsquoon indique de la mecircme faccedilon la teneur du
ou des eacuteleacutements suivants
La deacutesignation suivant la norme de la CECA et de lrsquoISO est identique agrave la norme
franccedilaise cependant les eacuteleacutements sont indiqueacutes par leur symbole chimique au lieu
drsquoune lettre arbitraire comme dans la norme franccedilaise Les coefficients multiplicateurs
sont les mecircmes Lrsquoacier 16 NCD 13 srsquoeacutecrit alors 16 Ni Cr Mo 13
9 Aciers de construction
On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi
tregraves souvent des aciers allieacutes degraves qursquoil ne srsquoagit plus de piegraveces peu solliciteacutees (les
eacuteleacutements drsquoalliage les plus freacutequents sont le chrome le nickel le molybdegravene) Pour
reacutepondre aux exigences croissantes des meacutecaniciens on a eacuteteacute conduit agrave eacutelaborer un
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
assez grand nombre drsquoaciers de construction qui permettent de couvrir un large
eacuteventail de caracteacuteristiques meacutecaniques et de reacutepondre agrave des utilisations tregraves diverses
Proprieacuteteacutes geacuteneacuterales
Les proprieacuteteacutes auxquelles on srsquoattache sont drsquoune part les caracteacuteristiques
meacutecaniques deacutetermineacutees dans des conditions standards par les essais de traction et de
choc (limite eacutelastique E charge de rupture R allongement striction et reacutesilience)
drsquoautre part la trempabiliteacute telle qursquoon peut lrsquoexprimer par la courbe Jominy (fig 4)
Un acier de construction sera donc deacutefini par sa composition chimique par ses
caracteacuteristiques meacutecaniques et par sa trempabiliteacute Les caracteacuteristiques obtenues dans
la reacutealiteacute deacutependent agrave la fois de la dimension des piegraveces et de la trempabiliteacute de lrsquoacier
Elles peuvent ecirctre tregraves diffeacuterentes de celles qursquoindiquent les tables et qui
correspondent agrave des conditions standards La ductiliteacute peut ecirctre fonction de
lrsquoimportance des deacuteformations subies par le meacutetal depuis le demi-produit drsquoorigine
(corroyage)
Le choix entre les diverses nuances srsquoexerce donc en fonction des caracteacuteristiques
demandeacutees aux piegraveces pour reacutesister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises
Mais on fait intervenir aussi leur dimension et leur forme qui imposent le mode de
trempe et la trempabiliteacute neacutecessaire Une piegravece de forme compliqueacutee ne peut sans
aleacuteas importants (tapures deacuteformations) ecirctre refroidie brusquement cela eacutelimine la
possibiliteacute drsquoune trempe agrave lrsquoeau ou parfois mecircme agrave lrsquohuile Il faudra choisir un acier agrave
haute trempabiliteacute Dans drsquoautres cas seule une couche superficielle devra ecirctre durcie
on pourra se contenter drsquoun acier beaucoup moins trempant
Principales nuances drsquoaciers de construction
La tregraves grande varieacuteteacute des piegraveces et des conditions de travail auxquelles elles sont
soumises entraicircne lrsquoexistence drsquoun grand nombre de nuances drsquoaciers de construction
En fait on distingue surtout deux grandes cateacutegories les aciers de construction
soudables et les aciers de construction pour traitements thermiques
Aciers de construction soudables
Utiliseacutes sous forme de produits plats (tocircles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses
industries notamment dans la construction meacutetallique la construction navale la
chaudronnerie lrsquoindustrie du tube la construction de gros eacutequipements les aciers de
construction soudables doivent non seulement preacutesenter les niveaux de caracteacuteristiques
meacutecaniques ndash en particulier de caracteacuteristiques de traction et de reacutesistance agrave la rupture
fragile ndash qui sont requis pour les utilisations envisageacutees mais ils doivent encore
pouvoir ecirctre soudeacutes dans des conditions techniquement et eacuteconomiquement
satisfaisantes Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la
composition chimique notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en
eacuteleacutements qui augmentent la trempabiliteacute un compromis est neacutecessaire qui sera
drsquoautant plus difficile agrave trouver que le niveau des exigences sera plus eacuteleveacute Malgreacute
cela crsquoest sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progregraves les plus
consideacuterables ont eacuteteacute reacutealiseacutes au cours des derniegraveres deacutecennies gracircce en particulier au
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
deacuteveloppement des traitements thermomeacutecaniques agrave haute tempeacuterature et agrave lrsquoemploi
drsquoeacuteleacutements de microalliage
Vers le deacutebut des anneacutees soixante les aciers de construction soudables eacutetaient
essentiellement agrave structure ferrite-perlite il srsquoagissait drsquoaciers effervescents semi-
calmeacutes ou calmeacutes au silicium agrave lrsquoeacutetat brut de laminage ou drsquoaciers calmeacutes agrave
lrsquoaluminium normaliseacutes crsquoest-agrave-dire ayant subi apregraves laminage un chauffage agrave 925 0C
environ suivi drsquoun refroidissement agrave lrsquoair Les aciers A 52 agrave 350 meacutegapascals de
limite eacutelastique et avec garantie de reacutesilience agrave 20 0C 0 0C ou _ 20 0C
repreacutesentaient alors les premiers aciers agrave haute limite eacutelastique
Les exigences de plus en plus seacutevegraveres des utilisateurs correspondant pour les
constructions soudeacutees agrave des conditions drsquoutilisation de plus en plus difficiles et au
deacutesir drsquoabaisser les coucircts de construction posaient et posent drsquoailleurs en permanence
pour les aciers soudables le problegraveme de lrsquoameacutelioration de leurs proprieacuteteacutes sans que
leur soudabiliteacute soit diminueacutee
Une premiegravere possibiliteacute consistait agrave limiter la teneur en carbone et agrave utiliser les
eacuteleacutements drsquoalliage classiques (chrome nickel cuivre molybdegravene) mais en teneurs
faibles nrsquoexceacutedant pas 07 p 100 Toutefois deux autres voies se sont finalement
reacuteveacuteleacutees beaucoup plus inteacuteressantes
ndash lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements de microalliage susceptibles de donner de fins preacutecipiteacutes
durcissants de carbures nitrures ou carbonitrures comme le niobium le vanadium et
le titane
ndash la recherche de moyens permettant drsquoobtenir un grain ferritique aussi fin que
possible
On savait par ailleurs que des aciers agrave structure partiellement ou totalement bainitique
ou martensitique revenue pouvaient preacutesenter des caracteacuteristiques tregraves inteacuteressantes
mais pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabiliteacute il fallait trouver
des moyens permettant drsquoutiliser des compositions chimiques relativement peu
chargeacutees
Les traitements thermomeacutecaniques agrave hautes tempeacuteratures notamment le laminage
controcircleacute allaient permettre de reacutesoudre ces problegravemes et de deacutevelopper de nouvelles
familles drsquoaciers ndash contenant des eacuteleacutements de microalliage niobium vanadium ou
titane ndash agrave caracteacuteristiques tregraves eacuteleveacutees mais neacuteanmoins facilement soudables
Les importants travaux de recherche effectueacutes sur ces proceacutedeacutes ont permis de bien
comprendre les pheacutenomegravenes qui interviennent au cours drsquoune opeacuteration de laminage agrave
chaud et de montrer qursquoil eacutetait possible en conduisant le laminage dans des conditions
de tempeacuterature et de deacuteformation bien deacutefinies et programmeacutees drsquoobtenir agrave la fois les
dimensions requises et des niveaux eacuteleveacutes de caracteacuteristiques meacutecaniques En
particulier les reacutesultats obtenus gracircce agrave la meacutethode originale de simulation du
laminage par torsion deacuteveloppeacutee agrave lrsquoInstitut de recherches de la sideacuterurgie franccedilaise
(Irsid) et les modegraveles de laminage qui ont eacuteteacute mis au point ont permis de deacutefinir des
scheacutemas de laminage controcircleacute tregraves performants par exemple le proceacutedeacute Multiphi qui
a fait lrsquoobjet drsquoun deacutepocirct de marque en 1973 Ce proceacutedeacute connut rapidement un
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
deacuteveloppement industriel important et agrave lrsquoheure actuelle apregraves diverses ameacuteliorations
(abaissement de la tempeacuterature de reacutechauffage des brames avant laminage
abaissement des tempeacuteratures de fin de laminage refroidissement acceacuteleacutereacute apregraves
laminage) plus de 50 p 100 des tocircles fortes sont fabriqueacutees par laminage controcircleacute
On est passeacute progressivement de nuances dont la limite eacutelastique minimale ne
deacutepassait pas 413 meacutegapascals agrave des nuances ayant des limites eacutelastiques allant
jusqursquoagrave 550 meacutegapascals Lrsquoutilisation conjointe drsquoeacuteleacutements de microalliage et de
scheacutemas de laminage controcircleacute de plus en plus performants a permis cette progression
des caracteacuteristiques sans conseacutequence facirccheuse pour la soudabiliteacute
Aciers de construction pour traitements thermiques
Les niveaux de caracteacuteristiques meacutecaniques deacutesireacutes sont obtenus pour cette cateacutegorie
drsquoaciers par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de
traitement thermique des piegraveces
Les diffeacuterents groupes drsquoaciers de construction allieacutes sont dans lrsquoordre croissant des
trempabiliteacutes les aciers au manganegravese-chrome les aciers au silicium au silicium-
chrome et au silicium-chrome-molybdegravene les aciers au chrome les aciers au chrome-
molybdegravene les aciers au chrome-vanadium les aciers au nickel-chrome les aciers au
nickel-chrome-molybdegravene et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdegravene
Les aciers au carbone non allieacutes sont peu trempants ils ne seront utiliseacutes que lorsque
la trempe agrave lrsquoeau est possible
Aciers agrave caracteacuteristiques speacuteciales
Les aciers preacuteceacutedents ne sont pas les seuls utiliseacutes La tendance actuelle est agrave la
recherche de limites eacutelastiques E et de charges de rupture R tregraves eacuteleveacutees afin de
reacutepondre aux tregraves fortes sollicitations exigeacutees par les reacutealisations techniques avanceacutees
aeacuteronautiques et aeacuterospatiales en particulier Un nouveau groupe drsquoaciers de
construction dits aciers agrave haute reacutesistance est neacute pour lequel les charges de rupture agrave
lrsquoeacutetat drsquoemploi peuvent atteindre et deacutepasser 2 500 meacutegapascals Ces reacutesistances
eacuteleveacutees sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel soit par des
traitements speacuteciaux comportant un durcissement structural provoqueacute par la
preacutecipitation de certains constituants carbures ou composeacutes intermeacutetalliques par
exemple
Le problegraveme ne consistait pas seulement agrave accroicirctre la reacutesistance mais ce faisant agrave
conserver agrave lrsquoacier une ductiliteacute suffisante On a chercheacute la solution de ce problegraveme
dans lrsquoaddition drsquoeacuteleacutements comme le silicium Ces eacuteleacutements augmentent la reacutesistance
au revenu et permettent drsquoobtenir par trempe et revenu agrave des tempeacuteratures
suffisamment eacuteleveacutees une bonne combinaison de reacutesistance et de ductiliteacute Le
vanadium et le molybdegravene ont eacuteteacute employeacutes dans le mecircme but Des modes
drsquoeacutelaboration speacuteciaux comme la fusion sous vide ou sous laitier eacutelectroconducteur
ameacuteliorent encore sensiblement la ductiliteacute
Dans drsquoautres aciers on cherche agrave provoquer dans une martensite relativement douce
la formation drsquoun preacutecipiteacute durcissant Crsquoest le cas des aciers dits maraging (la
mar tensite se forme par refroidissement brutal apregraves auteacutenitisation puis un
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
traitement de vieillissement ndash aging en anglais ndash fait preacutecipiter les composeacutes
durcissants) Ces aciers contiennent agrave cocircteacute de 18 p 100 de nickel du cobalt et des
additions de molybdegravene et de titane le preacutecipiteacute durcissant est alors un composeacute
intermeacutetallique de nickel avec le molybdegravene et le titane
Dans un autre ordre drsquoideacutees on a proceacutedeacute agrave la recherche drsquoaciers conservant une
bonne ductiliteacute aux basses tempeacuteratures De tels aciers sont neacutecessaires dans
lrsquoindustrie du froid en particulier pour le transport des gaz liqueacutefieacutes Un mode
drsquoeacutelaboration speacutecial appliqueacute aux aciers au carbone permet drsquoavoir une bonne
ductiliteacute jusque vers _ 45 0C Crsquoest la limite drsquoutilisation de ces aciers Pour de plus
basses tempeacuteratures on doit prendre des aciers speacuteciaux contenant tous du nickel Une
addition de 225 p 100 de nickel permet drsquoutiliser lrsquoacier jusque vers _ 60 0C avec
35 p 100 de nickel on peut descendre agrave _ 100 0C avec 9 p 100 de nickel la
tempeacuterature limite est _ 195 0C Ce dernier acier est employeacute en particulier pour la
construction des reacuteservoirs permettant le transport du gaz naturel liqueacutefieacute Pour les
tempeacuteratures encore infeacuterieures on doit avoir recours aux aciers austeacutenitiques chrome-
nickel
10 Aciers agrave outils
Lrsquoacier au carbone non allieacute demeure encore tregraves employeacute dans la fabrication des
outillages mais son eacutelaboration doit faire alors lrsquoobjet de soins speacuteciaux On utilise
suivant les emplois un acier ayant une teneur en carbone de 06 agrave 14 p 100 Les
eacuteleacutements reacutesiduels doivent ecirctre maintenus agrave une tregraves faible concentration et la grosseur
de grain doit ecirctre controcircleacutee Un tel acier est employeacute apregraves un traitement thermique
comportant une trempe agrave lrsquoeau depuis une tempeacuterature de lrsquoordre de 800 0C et un
revenu agrave basse tempeacuterature (de 100 agrave 150 0C) Dans cet eacutetat lrsquooutil nrsquoest durci que sur
une eacutepaisseur de quelques millimegravetres son cœur restant relativement tendre et ductile
ce qui eacutevite une trop grande fragiliteacute de lrsquoensemble
Un outil preacutepareacute dans ces conditions est cependant insuffisant dans beaucoup de cas
Malgreacute sa dureteacute sa reacutesistance agrave lrsquousure nrsquoest pas tregraves grande et la faible eacutepaisseur de
la couche durcie peut entraicircner une mise hors service assez rapide Par ailleurs la
neacutecessiteacute drsquoune trempe tregraves vive entraicircne des deacuteformations voire des ruptures lorsque
lrsquooutil nrsquoa pas une forme simple Enfin le meacutetal srsquoadoucit tregraves rapidement par
chauffage de sorte que lrsquooutil ne reacutesiste pas srsquoil doit ecirctre utiliseacute agrave une tempeacuterature un
peu eacuteleveacutee (par exemple au-dessus de 250 0C) ou si les conditions de travail
entraicircnent un deacutegagement de chaleur provoquant un eacutechauffement de la partie
travaillante de lrsquooutil
Ces inconveacutenients obligent dans la majoriteacute des cas agrave remplacer lrsquoacier au carbone
par un acier allieacute Eacutetant donneacute la diversiteacute des conditions de travail il existe un tregraves
grand nombre drsquoaciers allieacutes pour outils dans lesquels un ou plusieurs eacuteleacutements
drsquoalliage sont introduits pour pallier les insuffisances de lrsquoacier au carbone
Deux grandes classes drsquoaciers agrave outils peuvent ecirctre consideacutereacutees
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
ndash les aciers pour outils travaillant agrave froid
ndash les aciers pour outils travaillant agrave chaud ou subissant un eacutechauffement en cours de
travail
Dans chaque classe des divisions peuvent ecirctre faites suivant que lrsquoon met lrsquoaccent sur
la trempabiliteacute et lrsquoindeacuteformabiliteacute sur la reacutesistance agrave lrsquousure sur la teacutenaciteacute ou sur la
reacutesistance aux chocs
Aciers pour travail agrave froid
Aciers peu deacuteformables
On atteacutenue les deacuteformations en augmentant la trempabiliteacute de lrsquoacier ce qui permet de
remplacer la trempe agrave lrsquoeau par une trempe moins eacutenergique agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
diminuant ainsi les contraintes dues agrave un refroidissement trop rapide et les
deacuteformations qui en reacutesultent Cette augmentation de trempabiliteacute est tregraves souvent
obtenue par lrsquoaddition de manganegravese
Lrsquoacier type de ce groupe deacutesigneacute 80 M 8 a pour composition carbone 08 p 100
manganegravese 22 p 100 Il reccediloit parfois des additions de chrome (de 025 agrave 1 p 100 )
de vanadium (025 p 100) ou de tungstegravene (08 p 100) avec abaissement simultaneacute
des teneurs en manganegravese jusqursquoagrave 1 p 100 Ces additions ont pour effet drsquoameacuteliorer la
reacutesistance agrave lrsquousure et drsquoaffiner le grain
Ces aciers se traitent par trempe agrave lrsquohuile apregraves chauffage agrave 760-825 0C (suivant la
composition) et revenu au-dessous de 200 0C Ils sont utiliseacutes en particulier pour des
calibres jauges tampons matrices de deacutecoupage etc Ils ont une dureteacute de lrsquoordre de
60 agrave 61 RC (dureteacute Rockwell avec cocircne de diamant)
Aciers de bonne ductiliteacute
La bonne ductiliteacute est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des
eacuteleacutements qui augmentent la capaciteacute de trempe et la reacutesistance au revenu
Apregraves revenu la dureteacute drsquoemploi est de 50 agrave 55 RC Ils ont de nombreuses utilisations
dans tous les cas ougrave la reacutesistance aux chocs est primordiale burins et bouterolles
poinccedilons matrices etc
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure
La reacutesistance agrave lrsquousure est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de
tungstegravene et eacuteventuellement de molybdegravene et vanadium On peut distinguer les aciers
qui doivent ecirctre trempeacutes agrave lrsquoeau de ceux dont la capaciteacute de trempe a eacuteteacute ameacutelioreacutee et
qui peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou mecircme agrave lrsquoair
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Lrsquoacier 100 C 6 est un des plus utiliseacutes en particulier pour la fabrication des
roulements agrave billes ou agrave aiguilles et de nombreux outils Mais son eacutelaboration exige de
grandes preacutecautions
Lrsquoacier agrave 12 p 100 de chrome avec ou sans addition de molybdegravene et vanadium (et
eacuteventuellement de cobalt) est un des aciers agrave outils les plus employeacutes en particulier
pour des outillages agrave deacutecouper des matrices poinccedilons filiegraveres etc Mais il doit se
tremper agrave tempeacuterature relativement eacuteleveacutee de lrsquoordre de 1 000 0C pour atteindre sa
pleine dureteacute Aux tempeacuteratures supeacuterieures la dureteacute baisse par suite de la preacutesence
drsquoausteacutenite reacutesiduelle
Aciers pour travail agrave chaud
Aciers de bonne ductiliteacute
Ce sont des aciers moyennement allieacutes et de teneur en carbone de 03 agrave 05 p 100 Ils
contiennent du molybdegravene du tungstegravene ou du vanadium qui donnent une bonne
reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement les quantiteacutes de ces eacuteleacutements ne sont pas suffisantes pour
entraicircner la fragiliteacute
Ces aciers sont tregraves couramment employeacutes pour la fabrication de matrices pour
forgeage agrave chaud et pour des outillages de filage des meacutetaux non ferreux
Aciers de ductiliteacute moyenne
Ces aciers plus chargeacutes que les preacuteceacutedents en eacuteleacutements drsquoalliage ont une dureteacute agrave
chaud plus grande mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs Ils conviennent pour
le travail agrave des tempeacuteratures plus eacuteleveacutees Leur dureteacute apregraves trempe et revenu agrave 550 0C
est de lrsquoordre de 50 agrave 55 RC Ils peuvent ecirctre trempeacutes agrave lrsquohuile ou pour certains agrave lrsquoair
Aciers reacutesistant agrave lrsquousure Aciers agrave coupe rapide
Ces aciers doivent ecirctre consideacutereacutes comme travaillant agrave chaud par suite de
lrsquoeacutechauffement produit par le frottement du copeau sur lrsquoarecircte de lrsquooutil de coupe La
tempeacuterature atteint alors et peut deacutepasser 500 0C Des additions de tungstegravene
molybdegravene et vanadium leur donnent agrave la fois la reacutesistance agrave lrsquoeacutechauffement et par la
formation de carbures tregraves durs la reacutesistance agrave lrsquousure Une addition de chrome assure
une bonne trempabiliteacute Dans certains de ces aciers une addition de cobalt ameacuteliore la
dureteacute agrave chaud
Ils ont tous une structure agrave leacutedeburite crsquoest-agrave-dire qursquoagrave tempeacuterature eacuteleveacutee ils
contiennent des carbures insolubles Ce sont ces carbures auxquels srsquoajoutent ceux qui
sont preacutecipiteacutes au cours du revenu qui assurent la reacutesistance agrave lrsquousure Ils peuvent ecirctre
trempeacutes agrave lrsquohuile ou agrave lrsquoair mais apregraves un chauffage agrave tempeacuterature tregraves eacuteleveacutee de
1 200 agrave 1 300 0C suivant la nuance Le revenu se fait entre 550 et 600 0C
Drsquoune faccedilon geacuteneacuterale on cherche toujours agrave accroicirctre les proprieacuteteacutes de dureteacute de
teacutenaciteacute et de reacutesistance agrave lrsquousure de tous ces aciers Deux voies sont actuellement
suivies
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
ndash la meacutetallurgie des poudres preacuteallieacutees celles-ci sont obtenues par atomisation de
meacutetal liquide la solidification rapide produit des particules de tregraves faible dimension
qui apregraves frittage conduisent agrave des structures agrave grains et agrave carbures tregraves fins
ndash les revecirctements de surface de composeacutes tregraves durs en particulier agrave partir de proceacutedeacutes
de deacutepocircts par voie physique
11 Aciers inoxydables
Il existe une assez large gamme drsquoaciers dits inoxydables les plus allieacutes peuvent
reacutesister agrave lrsquoattaque par des reacuteactifs tregraves seacutevegraveres tels que les acides chlorhydrique ou
nitrique concentreacutes
Le chrome est lrsquoeacuteleacutement drsquoalliage essentiel de tous ces aciers et crsquoest lui qui leur
attribue leur caractegravere inoxydable Drsquoautres eacuteleacutements comme le nickel et le
molybdegravene agissent sur la structure tandis que le titane ou le niobium eacutevitent
certaines formes particuliegraveres drsquoattaque
Les aciers inoxydables ont de tregraves nombreux emplois non seulement dans lrsquoindustrie
chimique mais encore dans tous les domaines de lrsquoactiviteacute humaine transports
(chemin de fer automobile aeacuteronautique) industrie nucleacuteaire construction appareils
meacutenagers notamment
Diffeacuterents types drsquoaciers inoxydables
Suivant les teneurs en divers eacuteleacutements drsquoalliage on distingue divers types drsquoaciers
inoxydables essentiellement en fonction de leur structure
Les aciers martensitiques contiennent de 12 agrave 16 p 100 ou de 16 agrave 20 p 100 de
chrome avec addition de 2 agrave 4 p 100 de nickel Les teneurs en carbone vont de moins
de 01 p 100 agrave 1 p 100 Comme pour les aciers moins allieacutes leur structure se
modifie au-delagrave drsquoune certaine tempeacuterature et devient alors austeacutenitique Lors du
refroidissement cette austeacutenite se transforme en martensite lrsquoacier prend la trempe
Dans cet eacutetat il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone Un revenu est
geacuteneacuteralement fait apregraves la trempe pour ameacuteliorer la ductiliteacute Ces aciers ont alors une
reacutesistance meacutecanique (charge de rupture) supeacuterieure agrave 800 meacutegapascals et qui peut
ecirctre beaucoup plus eacuteleveacutee pour les aciers tregraves carbureacutes mais aux deacutepens de la ductiliteacute
Ajoutons qursquoen raison de leur teneur en chrome ces aciers ont une forte trempabiliteacute
Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques que pour leur
reacutesistance agrave la corrosion Ils ne sont pas alteacutereacutes par un certain nombre de reacuteactifs eau
et sa vapeur air acides faibles solutions de sels neutres Au-delagrave drsquoun pourcentage
de 16 p 100 de chrome (avec du nickel) ils reacutesistent dans lrsquoeau de mer et les
atmosphegraveres marines Ils sont employeacutes en particulier dans les aubages de turbines agrave
vapeur pour des piegraveces meacutecaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Les aciers ferritiques contiennent de 15 agrave 30 p 100 de chrome Leur structure reste
celle du fer a agrave toutes les tempeacuteratures Ces aciers ne peuvent donc pas devenir
martensitiques par chauffage et refroidissement Leurs caracteacuteristiques meacutecaniques
sont beaucoup moins favorables que celles du groupe preacuteceacutedent En outre ils sont
sensibles agrave des fragilisations lorsqursquoils sont chauffeacutes dans certaines zones de
tempeacuterature Il en reacutesulte des difficulteacutes de mise en œuvre en particulier pour le
soudage
En revanche leur reacutesistance agrave la corrosion est tregraves ameacutelioreacutee Ils se comportent bien
dans lrsquoacide nitrique dilueacute (2HNO3 3H2O) jusqursquoagrave 60 agrave 70 0C dans certains acides
organiques au contact des produits alimentaires dans les atmosphegraveres rurales et
urbaines dans lrsquoeau de mer non stagnante Des alliages agrave 15-18 p 100 de chrome
sont employeacutes en particulier pour la deacutecoration et la fabrication des ustensiles
meacutenagers De leur cocircteacute les aciers agrave 25-30 p 100 de chrome reacutesistent bien agrave
lrsquooxydation et agrave la sulfuration agrave haute tempeacuterature ce qui conditionne leurs principaux
emplois
Les aciers austeacutenitiques doivent leur structure agrave la preacutesence drsquoau moins 8 p 100 de
nickel agrave cocircteacute de 18 agrave 20 p 100 de chrome Comme les aciers ferritiques ils nrsquoont pas
de point de transformation et leurs proprieacuteteacutes meacutecaniques ne peuvent pas ecirctre
ameacutelioreacutees par un traitement de trempe En revanche ils ne sont pas sensibles aux
mecircmes pheacutenomegravenes de fragilisation et sont parfaitement soudables
Le type le plus courant contient 18 p 100 de chrome avec 10 p 100 de nickel (acier
dit 18-10) On en distingue trois nuances ayant respectivement des teneurs en carbone
infeacuterieures agrave 012 005 et 003 p 100 Des variantes contiennent des additions de
titane ou de niobium pour combattre la sensibiliteacute agrave certains types de corrosion de
soufre ou de seacuteleacutenium pour faciliter lrsquousinage
Deacuteriveacute du preacuteceacutedent un acier austeacutenitique contient 18 p 100 de chrome avec 10 agrave
12 p 100 de nickel et 2 agrave 3 p 100 de molybdegravene (acier dit 18-10-Mo) Lrsquoaddition de
ce dernier eacuteleacutement ameacuteliore la reacutesistance agrave la corrosion en particulier en preacutesence
drsquoacide sulfurique de chlorures et drsquoacides organiques
On peut encore apporter une ameacutelioration gracircce agrave des quantiteacutes plus importantes
drsquoeacuteleacutements drsquoalliage Un type maintenant assez courant contient 20 p 100 de chrome
25 p 100 de nickel 45 p 100 de molybdegravene et 15 p 100 de cuivre avec une tregraves
basse teneur en carbone (infeacuterieure agrave 002 p 100) ou une addition de niobium ou de
titane (acier dit 20-25-Mo-Cu) Il en existe lagrave aussi plusieurs variantes Le domaine
drsquoutilisation est tregraves eacutelargi dans les acides sulfurique et chlorhydrique
Ces aciers et leurs variantes sont les plus employeacutes Il en existe bien drsquoautres adapteacutes
agrave des cas particuliers Certains sont de veacuteritables alliages ougrave le fer ne joue plus de rocircle
Agrave lrsquoexception des aciers martensitiques dont la reacutesistance agrave la corrosion est souvent
insuffisante les aciers ferritiques et austeacutenitiques ont des limites eacutelastiques et des
charges de rupture relativement faibles Cela a conduit agrave la creacuteation drsquoaciers
inoxydables dits agrave durcissement structural Dans une structure martensitique ou
austeacutenitique la preacutesence de certains eacuteleacutements ndash titane niobium ou aluminium par
exemple ndash permet de provoquer une preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
intermeacutetalliques qui entraicircne un durcissement parfois consideacuterable Des limites
eacutelastiques atteignant 1 500 meacutegapascals peuvent ecirctre obtenues avec des aciers dont la
reacutesistance agrave la corrosion nrsquoest pas tregraves infeacuterieure agrave celle des aciers du type 18-10 Les
aciers suivants appartiennent agrave ce groupe Z 8 CNT 17-7 Z 5 CNU 17-4
Z 7 CNA 17-7 Z 10 CND 17-4 Z 12 CND 15-4 Z 8 CND 15-7 Apregraves traitement
de durcissement ils ont tous une structure martensitique magneacutetique Pour certaines
applications lrsquoamagneacutetisme est souhaitable On doit alors avoir une structure
austeacutenitique dans laquelle le durcissement est eacutegalement obtenu par des preacutecipitations
On peut obtenir une limite eacutelastique de 900 meacutegapascals tandis que celle des aciers
austeacutenitiques du type 18-10 deacutepasse rarement 250 meacutegapascals agrave moins qursquoils nrsquoaient
eacuteteacute eacutecrouis
Corrosion des aciers inoxydables
Malgreacute leur reacutesistance dans de nombreux milieux agressifs les aciers inoxydables
peuvent ecirctre sensibles agrave certaines formes de corrosion qursquoil est important de connaicirctre
Lrsquoune des plus importantes est la corrosion intergranulaire qui peut provoquer une
veacuteritable deacutesagreacutegation du meacutetal par suite de lrsquoattaque seacutelective des espaces entre les
grains Agrave la suite de certains traitements thermiques une preacutecipitation de carbure de
chrome entraicircne un appauvrissement local en chrome au-dessous de la teneur
neacutecessaire pour assurer la protection
Des maintiens mecircme tregraves courts entre 400 et 800 0C rendent lrsquoacier sensible agrave cette
attaque particuliegravere crsquoest ce qui peut se passer par exemple dans les zones voisines
drsquoun cordon de soudure En revanche cette attaque ne se produit pas lorsque lrsquoacier a
eacuteteacute refroidi rapidement depuis une tempeacuterature supeacuterieure agrave 1 100 0C Lorsqursquoun tel
traitement thermique nrsquoest pas possible on doit utiliser des nuances speacuteciales dans
lesquelles la preacutecipitation du carbure de chrome ne se produit pas en raison drsquoune tregraves
faible teneur en carbone ou par suite de la fixation du carbone par un eacuteleacutement ayant
une tregraves grande affiniteacute pour lui titane ou niobium le plus souvent
La corrosion par piqucircres est une attaque tregraves localiseacutee provoqueacutee par les reacuteactifs
chlorureacutes Elle ne se produit pas ou elle est tregraves atteacutenueacutee avec les aciers austeacutenitiques
contenant du molybdegravene
La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de lrsquoacier soumis simultaneacutement
agrave une contrainte meacutecanique drsquoextension et agrave une attaque chimique Cette corrosion se
produit essentiellement en preacutesence de chlorures et il suffit parfois de quantiteacutes
extrecircmement faibles pour qursquoelle apparaisse Lrsquoeacutelimination des contraintes et
lrsquoaugmentation de la teneur en nickel jusqursquoau-delagrave de 40 p 100 constituent de bons
remegravedes contre cette attaque Lrsquoaddition de silicium (de 3 agrave 4 p 100) est efficace
dans beaucoup de cas
On constate eacutegalement la cavitation et lrsquoeffet combineacute de la fatigue et de la
corrosion dans certaines conditions drsquoutilisation des aciers inoxydables
Reacutesistance des aciers inoxydables dans divers milieux
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Dans lrsquoair une teneur en chrome drsquoau moins 17 p 100 est neacutecessaire mais dans les
atmosphegraveres industrielles et marines il faut utiliser les aciers du type 18-10-Mo Dans
lrsquoeau et la vapeur les aciers martensitiques agrave 13 p 100 de chrome reacutesistent bien Mais
dans lrsquoeau ou la vapeur surchauffeacutee on doit prendre un acier 18-10 Dans lrsquoeau de mer
seuls les aciers 18-10-Mo reacutesistent dans toutes les conditions
Dans lrsquoacide sulfurique on utilisera les aciers 18-8-Mo ou 20-25-Mo-Cu selon la
concentration et la tempeacuterature Lrsquoacier agrave 17 p 100 de chrome convient pour lrsquoacide
nitrique jusqursquoagrave 65 p 100 de concentration et 120 0C Au-delagrave on utilise des aciers du
type 25-20 ou dans certains cas des aciers contenant de 3 agrave 4 p 100 de silicium Dans
lrsquoacide chlorhydrique on pourra employer les aciers 20-25-Mo-Cu dans certaines
limites Dans les autres acides mineacuteraux ou organiques on choisira entre 18-10 18-
10-Mo et 20-25-Mo-Cu suivant la tempeacuterature et la concentration il est rare qursquoune
solution ne puisse ecirctre trouveacutee avec lrsquoun de ces trois aciers (ou leurs deacuteriveacutes) Nous en
dirons autant des solutions salines les plus actives eacutetant celles qui contiennent des
chlorures ou celles qui sont facilement hydrolysables
Aux tempeacuteratures eacuteleveacutees les problegravemes sont un peu diffeacuterents parce que le meacutetal doit
non seulement reacutesister aux attaques chimiques par lrsquoair ou les gaz de combustion mais
encore ne pas subir de deacuteformations prohibitives crsquoest alors le domaine drsquoun autre
groupe drsquoaciers dits reacutefractaires
12 Aciers reacutefractaires
Lorsque les aciers sont maintenus sous charge pendant des temps assez longs on
constate une deacuteformation progressive du meacutetal Ce pheacutenomegravene de viscositeacute appeleacute
fluage est nul ou neacutegligeable agrave la tempeacuterature ambiante ou aux tempeacuteratures peu
eacuteleveacutees infeacuterieures par exemple agrave 300 0C Mais il faut en tenir compte aux
tempeacuteratures supeacuterieures car son importance croicirct lorsque la tempeacuterature augmente
Pour un acier donneacute et agrave une tempeacuterature donneacutee la vitesse de deacuteformation dite
vitesse de fluage drsquoabord grande diminue assez vite puis reste constante pendant un
temps plus ou moins long Elle croicirct ensuite jusqursquoagrave aboutir agrave la rupture du meacutetal
Ces observations ont conduit pour les emplois aux tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave rechercher
des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible compatible en tout
cas avec les deacuteformations admissibles pour la machine ou le mateacuteriel Une classe
drsquoaciers a eacuteteacute creacuteeacutee celle des aciers reacutefractaires
Les aciers reacutefractaires sont caracteacuteriseacutes pour chaque tempeacuterature et chaque charge
soit par la vitesse de fluage pendant la peacuteriode ougrave elle est constante soit par la
deacuteformation maximale au bout drsquoun temps donneacute soit par le temps eacutecouleacute jusqursquoagrave la
rupture Tregraves souvent on exige que dans des conditions donneacutees le meacutetal ne subisse
pas un allongement supeacuterieur agrave x p 100 (01 ou 1 p 100 par exemple) au bout de
mille dix mille ou cent mille heures
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
Pour les tempeacuteratures deacutepassant 500 0C une autre consideacuteration doit intervenir la
reacutesistance agrave lrsquooxydation par lrsquoair Ce reacutesultat est obtenu gracircce agrave des additions de
chrome qui drsquoailleurs ameacuteliorent aussi la reacutesistance au fluage
Les aciers reacutefractaires sont classeacutes suivant le domaine de tempeacuterature dans lequel ils
peuvent ecirctre utiliseacutes
Jusqursquoagrave 400 0C les aciers au carbone non allieacutes conviennent mais il faut tenir compte
dans les calculs de la reacuteduction de la limite eacutelastique Celle-ci par exemple passe
pour un acier donneacute de 350 meacutegapascals agrave la tempeacuterature ordinaire agrave
180 meacutegapascals agrave 400 0C soit une reacuteduction de 50 p 100 Les pheacutenomegravenes de
fluage sont encore peu sensibles Agrave partir de 400 0C au contraire ceux-ci deviennent
preacutepondeacuterants et on doit rechercher des aciers allieacutes
Jusqursquoagrave 500 0C eacuteventuellement 550 0C on utilise des aciers relativement peu
allieacutesIls sont utiliseacutes notamment pour les appareils agrave pression fonctionnant agrave chaud
comme les chaudiegraveres ou les tubes et tuyauteries
Drsquoautres aciers contenant agrave la fois du chrome du molybdegravene et du vanadium (1-1-
02 p 100 ou 125-05-02 p 100) sont eacutegalement utiliseacutes pour les mecircmes emplois
mais surtout pour de grosses piegraveces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs)
pour la boulonnerie agrave chaud etc Pour tous ces aciers la limite drsquoemploi est 550 0C
Mais deacutejagrave agrave cette tempeacuterature lrsquooxydation par lrsquoair la vapeur ou les gaz de
combustion devient prohibitive pour les emplois de tregraves longue dureacutee On doit recourir
agrave des aciers agrave plus forte teneur en chrome
De 550 0C agrave 600 0C on utilise des aciers agrave 5 p 100 ou agrave 12 p 100 de chrome Lrsquoacier
agrave 5 p 100 de chrome avec geacuteneacuteralement des additions de molybdegravene et de vanadium
est utiliseacute dans lrsquoindustrie peacutetroliegravere il reacutesiste tregraves bien agrave lrsquohydrogegravene et aux
hydrocarbures sous pression Agrave 550 0C la charge de rupture au bout de
100 000 heures varie de 60 agrave 100 meacutegapascals suivant la composition et le
traitement thermique Les aciers agrave 12 p 100 de chrome avec des additions de
tungstegravene molybdegravene vanadium niobium reacutesistent agrave lrsquooxydation jusqursquoagrave 650 0C et
sont couramment utiliseacutes dans le domaine 550-600 0C Leurs caracteacuteristiques (vitesse
de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus eacuteleveacutees que celles des aciers
preacuteceacutedents La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 agrave
200 meacutegapascals agrave 550 0C et de lrsquoordre de 100 meacutegapascals agrave 600 0C Crsquoest dire
qursquoils peuvent permettre agrave eacutegaliteacute de sollicitations une augmentation de tempeacuterature
de lrsquoordre de 50 0C ce qui a une grande influence sur le rendement des machines
Au-delagrave de 600 0C et jusqursquoagrave 700 0C on utilise des aciers austeacutenitiques du type 18-10
avec des additions de molybdegravene titane niobium pour ameacuteliorer les caracteacuteristiques
de fluage Il est alors neacutecessaire drsquoaugmenter la teneur en nickel jusqursquoagrave 12 p 100 et
15 p 100 pour que lrsquoacier garde une structure purement austeacutenitique sans ferrite d qui
donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongeacute agrave 650 0C ou 700 0C Les
caracteacuteristiques de fluage varient beaucoup drsquoune fabrication agrave lrsquoautre elles sont en
effet tregraves sensibles agrave lrsquoaction de tregraves petites quantiteacutes drsquooligo-eacuteleacutements et par suite
aux deacutetails du mode drsquoeacutelaboration Agrave titre indicatif nous signalerons que pour les
aciers du type 18-10 au molybdegravene la charge de rupture au bout de 100 000 heures agrave
650 0C est de lrsquoordre de 80 agrave 100 meacutegapascals Par exemple agrave partir de 700 0C les
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
aciers austeacutenitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines agrave gaz ou
des turboreacuteacteurs ou mecircme pour les turbines agrave vapeur
On dispose alors de superalliages qui peuvent ecirctre utiliseacutes jusqursquoau-delagrave de 900 0C
Ces alliages doivent leur rigiditeacute agrave chaud agrave la preacutecipitation de carbures ou de composeacutes
intermeacutetalliques dans une matrice constitueacutee par une austeacutenite fer-chrome-nickel et
eacuteventuellement du cobalt Dans certains de ces alliages la base est le nickel ou le
cobalt Les eacuteleacutements provoquant les preacutecipitations durcissantes sont tregraves souvent le
molybdegravene le titane le niobium lrsquoaluminium Ces superalliages sont tregraves nombreux et
il en apparaicirct toujours de nouveaux Leurs caracteacuteristiques agrave chaud deacutependent souvent
du mode drsquoeacutelaboration et la fusion sous vide en particulier a entraicircneacute de tregraves
sensibles progregraves et permis la preacuteparation drsquoalliages comportant des eacuteleacutements reacutesistant
mal aux proceacutedeacutes drsquoeacutelaboration habituels
Pour fixer les ideacutees et mesurer le chemin parcouru notons que le meilleur des
superalliages admet agrave 925 0C la mecircme charge de rupture au bout de 1 000 heures
qursquoun acier 18-10 agrave 650 0C
Au-delagrave de 950 0C on ne peut plus envisager des mateacuteriaux de ce type On entre dans
le domaine des ceacuteramiques ou des meacutetaux agrave haut point de fusion comme le
molybdegravene
Tout ce qui preacutecegravede se rapporte au cas ougrave le meacutetal soumis aux tempeacuteratures eacuteleveacutees
doit supporter eacutegalement des contraintes meacutecaniques Dans bien des cas seule importe
la reacutesistance aux alteacuterations chimiques par lrsquoair les gaz de combustion ou des
atmosphegraveres diverses On dispose alors drsquoune gamme drsquoaciers contenant du chrome
(de 18 agrave 30 p 100) provoquant la reacutesistance agrave lrsquooxydation et tregraves souvent du nickel
dont la teneur peut atteindre 80 p 100 Nous citerons les aciers
ndash agrave 17 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash agrave 27 agrave 30 p 100 de chrome sans nickel reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash au chrome-aluminium reacutesistant de 800 agrave 1 300 0C suivant la composition
ndash au chrome-nickel (20-10 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 850-900 0C
ndash au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p 100) reacutesistant jusqursquoagrave 1 150 0C
ndash ainsi que des alliages plus riches en nickel soit 35 p 100 de nickel et 20 p 100 de
chrome ou 60 p 100 de nickel et 15 p 100 de chrome ou 80 p 100 de nickel et 20
p 100 de chrome Pour ce dernier la reacutesistance agrave lrsquooxydation est satisfaisante jusqursquoagrave
1 250 0C
Ces tempeacuteratures limites peuvent drsquoailleurs varier suivant la nature des gaz Dans le
cas des aciers contenant du nickel elles sont par exemple abaisseacutees de 200 0C par la
preacutesence de soufre dans les gaz
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
13 Aciers agrave aimants
Lorsqursquoun corps ferromagneacutetique est placeacute dans un champ magneacutetique il srsquoaimante
parallegravelement agrave ce champ Lrsquoaimantation qursquoil acquiert ainsi peut disparaicirctre lorsque le
champ est supprimeacute ou au contraire persister plus ou moins complegravetement Le corps
est alors dit magneacutetiquement dur et si la persistance du champ est suffisante il
constitue un aimant permanent Certains aciers agrave trempe martensitique agrave teneur en
carbone suffisamment eacuteleveacutee entrent dans cette cateacutegorie ce sont des aciers au
chrome au tungstegravene et surtout au chrome-cobalt Agrave cocircteacute de ces aciers proprement dits
dont les emplois sont de plus en plus restreints se sont deacuteveloppeacutes des alliages nickel-
aluminium-cobalt qui doivent leur dureteacute magneacutetique agrave la preacutecipitation de composeacutes
intermeacutetalliques Ils constituent maintenant les mateacuteriaux les plus utiliseacutes pour la
confection ndash par moulage ou par frittage ndash des aimants permanents Des alliages
speacuteciaux et des mateacuteriaux non meacutetalliques sont utiliseacutes dans des cas particuliers ou
pour des emplois de laboratoire
