Acier

L’acier est élaboré pour résister à des sollicitations mécaniques ou chimiques ou une combinaison des deux.

Pour résister à ces sollicitations, des éléments chimiques peuvent être ajoutés à sa composition en plus du carbone. Ces éléments sont appelés éléments d’additions, les principaux sont le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène (Mo).

Les éléments chimiques présents dans l’acier peuvent être classés en trois catégories :

• les impuretés, originellement présentes dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l’acier. Ce sont le soufre[n 1] (S) et le phosphore (P) présent dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l’étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi que nombre d’autres éléments à bas point de fusion comme l’arsenic (As), l’antimoine (Sb).

Pour des raisons mal comprises, le plomb est dans certaines circonstances (dans l’industrie nucléaire notamment) un « contaminant métallurgique » qui peut contribuer à la dissolution, l’oxydation et la fragilisation d’aciers qui sont exposés aux alliages de plomb[3] ;

• les éléments d’addition mentionnés plus haut et qui sont ajoutés de manière intentionnelle pour conférer au matériau les propriétés recherchées, et enfin ;
• les éléments d’accompagnement que l’aciériste utilise en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir finalement un acier conforme à la spécification. C’est le cas d’éléments comme l’aluminium, le silicium, le calcium.

La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l’acier : en dessous de 0,008 %, l’alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2,1 %[4], on entre dans le domaine de l'eutectique fer/carbure de fer ou bien fer/graphite, ce qui modifie profondément la température de fusion et les propriétés mécaniques de l'alliage, et l'on parle de fonte.

Entre ces deux valeurs, l’augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la dureté de l’alliage et à diminuer son allongement à la rupture ; on parle d’aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » selon la « classification traditionnelle ».

Dans les manuels de métallurgie un peu anciens, on peut trouver comme définition de l'acier un alliage fer-carbone où le carbone varie de 0,2 à 1,7 % ; la limite actuelle a été établie à partir du diagramme binaire fer/carbone. Toutefois, il y a des aciers avec des concentrations de carbone supérieures à ces limites (acier lédéburitiques), obtenus par frittage.

On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d’autres éléments, principalement métalliques, et on parle d’aciers « alliés ». On peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes ou la cémentation) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d’aciers « traités ».

Outre ces diverses potentialités, et comparativement aux autres alliages métalliques, l’intérêt majeur des aciers réside d’une part dans le cumul de valeurs élevées dans les propriétés mécaniques fondamentales :

• raideur, résistance à la déformation élastique : module d’élasticité E ;
• résistance à la déformation irréversible, à la rupture : limite élastique R_e, résistance minimale à la rupture R_m ;
• dureté H ;
• résistance aux chocs : résilience K.

D’autre part, leur coût d’élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5 % de l’écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclables grâce à la filière ferraille.

On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion à laquelle on peut toutefois remédier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l’utilisation de nuances d’acier dites « inoxydables ». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables, donc peu recommandés pour les pièces volumineuses de formes complexes (bâtis de machines, par exemple). On leur préfère alors des fontes. Enfin, lorsque leur grande masse volumique est pénalisante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d’aluminium, titane, composites, etc.), qui ont l’inconvénient d’être plus chers.

Lorsque le prix est un critère de choix important, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d’application technique : équipements publics (ponts et chaussées, signalisation), industrie chimique, pétrochimique, pharmaceutique et nucléaire (équipements sous pression, équipements soumis à l’action de la flamme, capacités de stockage, récipients divers), agroalimentaire (conditionnement et stockage), bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industrie mécanique et thermique (moteurs, turbines, compresseurs), automobile (carrosserie, équipements), ferroviaire, aéronautique et aérospatial, construction navale, médical (instruments, appareils et prothèses), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), mobilier, design et équipements électroménagers, etc.

Fabrication d’acier au Moyen Âge dans un bas fourneau.

L’Âge du fer se caractérise par l’adaptation du bas fourneau à la réduction du fer[6]^,[7]^,[n 2]. Ce bas fourneau produit une loupe, un mélange hétérogène de fer, d’acier et de laitier, dont les meilleurs morceaux doivent être sélectionnés, puis cinglés pour en chasser le laitier[8].

En poussant le vent, on attise la combustion et la température de fusion du métal est atteinte. On extrait le métal par vidange du creuset : c’est la production au haut fourneau. On obtient alors de la fonte, le fer liquide se chargeant de carbone au contact du charbon de bois. En effet, deux phénomènes complémentaires se déroulent dans le creuset du haut fourneau : le fer se charge de carbone lorsqu’il arrive au contact du charbon de bois, ce qui abaisse son point de fusion. Puis ce métal fondu continue à s’enrichir en carbone, en dissolvant le charbon de bois[n 3]. Les premières coulées de fonte ont été réalisées par les Chinois durant la période des Royaumes combattants (entre -453 et -221)[9]. Ceux-ci savent aussi brûler le carbone de la fonte, en le faisant réagir avec de l’air, pour obtenir de l’acier. Il s’agit du procédé indirect, car l’élaboration de l’acier se fait après l’obtention de la fonte[10]^,[11]. En Europe et en Asie, durant l’Antiquité, on produisait également de l’acier en recarburant le fer avec des gaz de combustion et du charbon de bois (acier de cémentation).

Réaumur, en réalisant de très nombreuses expériences et en publiant les résultats de ses observations en 1722, fonde la sidérurgie moderne : il est le premier à théoriser le fait que l’acier est un état intermédiaire entre la fonte et le fer pur, mais les connaissances du temps ne lui permettent pas d’être scientifiquement précis[12]. Il faut attendre 1786 pour que la métallurgie devienne scientifique : cette année-là, trois savants français de l’école de Lavoisier, Berthollet, Monge et Vandermonde[13] présentent devant l’Académie royale des sciences un Mémoire sur le fer[14] dans lequel ils définissent les trois types de produits ferreux : le fer, la fonte et l’acier. L’acier est alors obtenu à partir du fer, lui-même produit par affinage de la fonte issue du haut fourneau. L’acier est plus tenace que le fer et moins fragile que la fonte, mais chaque transformation intermédiaire pour l’obtenir augmente son coût.

La révolution industrielle apparait grâce à la mise au point de nouvelles méthodes de fabrication et conversion de la fonte en acier. En 1856, le procédé Bessemer est capable d’élaborer directement l’acier à partir de la fonte. Son amélioration par Thomas et Gilchrist permet sa généralisation[15]^,[16]. Ces découvertes mènent à la fabrication en masse d’un acier de qualité (pour l’époque). Enfin, vers la seconde moitié du XIX^e siècle, Dmitri Tchernov découvre les transformations polymorphes de l’acier et établit le diagramme binaire fer/carbone, faisant passer la métallurgie de l’état d’artisanat à celui de science.

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

Différentes classifications

Principes de désignation symbolique des aciers selon la norme EN 10027-1-2.

Chaque pays a son mode de désignation des aciers. Le schéma ci-contre indique la désignation européenne selon les normes EN 10027-1[17] et -2[18]. Cette norme distingue quatre catégories :

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

L’acier est un alliage essentiellement composé de fer, sa densité varie donc autour de celle du fer (7,32 à 7,86), suivant sa composition chimique et ses traitements thermiques. La densité d’un acier inox austénitique est typiquement un peu supérieure à 8, en raison de la structure cristalline. Par exemple, la densité d’un acier inoxydable de type AISI 304[20] (X2CrNi18-10) est environ 8,02.

Les aciers ont un module de Young d’environ 200 GPa (200 milliards de pascals), indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermomécanique et des traitements de surface auxquels ils ont été soumis.

Le coefficient de dilatation thermique de l'acier vaut (généralement) 11,7×10^-6 °C^-1[21].

Le traitement thermomécanique est l’association :

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

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

• une réaction en phase liquide (chromatation, carburation, nitruration en bain de sel, galvanisation, parkérisation, etc.) ;
• une réaction en phase gazeuse (nitruration en phase liquide)^[Quoi ?] ;
• une projection d’ions (implantation ionique) ;
• un recouvrement (peinture, émail).

Voir aussi l’article détaillé traitements anti-usure.

• L’acier est le 7^e niveau dans la progression de la sarbacane sportive.
• Selon certaines sources, l’acier peut désigner le 11^e anniversaire de mariage.
• Le terme « acier » sert à caractériser ce qui est solide, par exemple un moral d’acier.
• Le « poumon d’acier » désigne un ancien modèle de respirateur artificiel (respirateur à pression négative).
• Le gris acier est une couleur gris-bleu reproduisant la couleur de l’acier trempé.
• La couleur acier, en héraldique désigne le gris.

La soudabilité des aciers est inversement proportionnelle à la teneur en carbone. Toutes les nuances d’acier n’ont pas la même aptitude au soudage et affichent des degrés de soudabilité différents (voir l’article sur le soudage). Certains aciers sont d’ailleurs intrinsèquement non soudables. Pour qu’un acier soit soudable il est primordial que les aciéristes se préoccupent de la soudabilité des aciers qu’ils produisent dès l’élaboration dans le souci d’optimiser la mise en œuvre ultérieure.

À titre d’exemple, on signalera que le code ASME (American Society of Mechanical Engineers), dans son volume spécifique à la construction d’équipements sous pression, exige que l’attestation de conformité d’un acier utilisé ne serait-ce que comme pièce provisoire soudée à titre temporaire sur un ouvrage soumis au dit code mentionne sans ambiguïté la qualité d’« acier soudable ».

Sept facteurs au moins déterminent le coût de production d’un acier :

1. La composition de l’acier selon sa teneur en éléments nobles (chrome, nickel, manganèse, cobalt, etc.) et le niveau de pureté chimique (basse teneur en soufre, phosphore, éléments à bas point de fusion comme le plomb, l’arsenic, l’étain, le zinc, etc.) ;
2. Les exigences particulières liées à la règlementation (directives, décrets, loi, etc.) et les spécifications techniques des donneurs d’ordres ;
3. Les choix d’option(s) proposée(s) par des normes ou des standards internationaux comme des aptitudes au pliage, à l’emboutissage, à l’usinage ;
4. Les exigences dimensionnelles (tolérance de planéité, classe d’épaisseur, etc.). À noter que chez les aciéristes, la densité de l’acier n’est pas une constante. Par exemple, dans le cas de l’acier de construction, elle n’est pas égale à 7,85. Les aciéristes considèrent une densité de facturation différente de la densité physique pour tenir compte du fait que la masse réelle livrée (pesée) est toujours supérieure à la masse théorique (calculée) du produit commandé ;
5. Les examens et essais effectués sur échantillons prélevés sur coulée ou directement sur produit ainsi que le mode de réception du produit. Il existe trois principaux modes de réception classés ci-après dans l’ordre de coût croissant :
   • par le vendeur (la réception du produit est donc effectuée par la première partie),
   • par l’acheteur (la réception du produit est effectuée par la seconde partie), et par une entité administrative extérieure (bureau de contrôle, compagnie d’assurance, ministère, association, etc.) autre que le vendeur ou l’acheteur (la réception du produit est effectuée par ce que l’on appelle une tierce partie) ;
6. Les exigences internes (donc supplémentaires) requises par les procédés de fabrication de l’utilisateur (planéité, limitations de teneurs en éléments chimiques, marquage), et
7. La loi de l’offre et de la demande et la spéculation sur les métaux qui conditionnent bien sûr le prix du marché.

L’impact des six premières exigences peut avoir une incidence de quelques dizaines d’euros la tonne à plus de 50 % du prix de base (le prix de base étant le prix de l’acier standard conforme à la norme et sans aucune option), d’où l’importance, avant toute passation de commande, de consulter le vendeur ou l’aciériste (qu’on appelle aussi « forge » ou « fonderie ») sur la base d’une spécification technique d’achat rédigée en accord avec les exigences techniques contractuelles et/ou administratives. Le 7^e point quant à lui n’a pas de limite rationnelle.

De nouveaux types d'aciers spéciaux pourraient être bioinspirés, par exemple en imitant le principe constructif de l'os. Ainsi en 2016-2017, des chercheurs ont produit un acier imitant l'os[22]. Au sein de l'os, des fibres nanométriques de collagène forment une structure stratifiée, dont les couches sont orientées dans des directions différentes. Aux échelles millimétriques, l'os a une structure en mie de pain organisée en treillis (ensemble ordonné) qui le consolide en empêchant la propagation de fissures dans toutes les directions et à partir de n’importe quel point[22]. Des métallurgistes s'en sont inspirés pour produire un acier nanostructuré incluant des alliages différents (avec des duretés différentes)[22]. Pour s’y propager, une fissure doit suivre un chemin complexe et vaincre de nombreuses résistances, car les nano-parties souples de l’assemblage absorbent l'énergie des contraintes, même répétées, pouvant même refermer les microfissures juste après leur apparition[22].
Des aciers légers (éventuellement « imprimés en 3D ») deviennent envisageables pour créer des ponts, robots, engins spatiaux ou sous-marins ou véhicules terrestres ou des structures qu’on veut rendre plus résistants aux fissures ou plus exactement à la propagation de fissures risquant de conduire à une fracture de l’ensemble[22].