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Ecole Polytechnique de Tunisie




       Procédés II - partie       5
Classification et désignations
          des aciers


     Année universitaire   2012 - 2013

                                         1
Diagramme Fe -C




                                                                           2
Sidérurgie -    Classification des aciers   -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Diagramme Fe -C




                                                                             3
Sidérurgie -   Classification des aciers      -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Diagramme Fe -C

- Le diagramme Fe-C renseigne sur le comportement
d’un alliage Fe-C.

- Les aciers usuels contiennent des éléments d’alliage
et des impuretés (addition involontaire, éléments non éliminés en cours
d’élaboration) incorporés dans la structure.



- Si la quantité d’éléments ajoutés est importante,
elle peut dépasse la limite de solubilité et d’autres
phases vont se former et conditionner les propriétés
de l’acier.


                                                                              4
 Sidérurgie -    Classification des aciers     -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Effets des éléments d’alliage

  Les différents éléments d’alliage (ou d’addition)
  peuvent être divisés en 3 grandes classes :


                      - Les éléments alphagènes
                      - Les éléments gammagènes
                      - Les élements carburigènes

Addition (élément d'addition) : Eléments chimique (métallique ou non) ajouté en quantité modérée
dans la composition d'un alliage pour modifier ses propriétés métallurgiques.


Alliage (élément d'alliage) : Elément chimique (métallique ou non) ajouté en quantité relativement
importante dans la composition d'un alliage pour optimiser ses propriétés métallurgiques.

                                                                                                            5
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Les éléments alphagènes

   contribuent à l’extension du domaine de la
    solution solide α et réduisent celui de γ.

   En général, ils ont la même structure
    cristalline que α : cubique centrée.

   Exemples : Cr, Nb, Si,…

    Alphagène (élément alphagène) : Elément d'alliage dont la présence accroit le domaine
    des températures d'existence d'une phase solide appelée «alpha» .

    Acier ferritique : Acier dont la structure est essentiellement constituée de ferrite à
    température ambiante.
                                                                                                    6
Sidérurgie -           Classification des aciers                 -   Fathi CHTIOUI      -    2013
Les éléments gammagènes

   diminuent AC1 et étendent le domaine de la
    solution solide γ (austénite).

   abaissent la température de transformation
    α => γ (AC3).


     Austénite : Solution solide d'un ou plusieurs éléments (carbone, manganèse, nickel,…)
     dans le fer gamma de structure cubique à face centrée.

     Acier austénitique : Acier dont la structure est essentiellement constituée d'austénite à
     température ambiante.
                                                                                                   7
    Sidérurgie -         Classification des aciers               -   Fathi CHTIOUI      -   2013
AC1 –AC3




     Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement
     suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé
     pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage
     (Ac1>A1 et Ac3>A3).

                                                                                                       8
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AC1 –AC3




     Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement
     suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé
     pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage
     (Ac1>A1 et Ac3>A3).

                                                                                                       9
Sidérurgie -          Classification des aciers                    -   Fathi CHTIOUI        -   2013
Les éléments carburigènes
     Ce sont les éléments qui ont une forte tendance,
      s’ils sont présents en quantité suffisante à former
      avec le carbone des carbures.

                   Exemple : V, Ti, Nb, W, Mo, Cr….


       Les éléments connus pour être peu ou pas
       carburigènes sont Ni, Si, Cu, N, Mn.




                                                                                 10
    Sidérurgie -      Classification des aciers   -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Rôle des différents éléments d’alliage
                                             Tendance à former     Rôle pour la
                   Rôle durcissant
 Eléments                                      des carbures    résistance au fluage
    C              fort à modéré                    -             Modéré à faible
    Mn             modéré à fort                 modéré               faible
    P                 modéré                       nul               modéré
     S                négatif                      nul                 nul
    Si                modéré                     négatif              faible
    Ni                modéré                       nul                faible
    Cr                  fort                      fort                faible
    Mo                  fort                      fort                 fort
    W                  faible                     fort                 fort
    V                   fort                      fort                 fort
    Ti                  fort                      fort               modéré
    Co                négatif                      nul                faible
    Al                 faible                    négatif             négatif
    Zr                 faible                     fort                   -
    Cu                modéré                       nul                   -
    Nb                  fort                      fort               modéré



                                                                                       11
Sidérurgie -     Classification des aciers              -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Chaque élément a une fonction principale :
Eléments                                   Fonction principale
  C        Contrôle le niveau de résistance
  Mn       Durcit, améliore la trempabilité et la ductilité
  P        Améliore la résistance à la corrosion
   S       Améliore l’usinabilité mais diminue la ductilité
  Si       Intervient comme désoxydant
  Ni       Durcissant par solution solide, améliore la ténacité à basse T°
  Cr       Durcissant par formation de carbures (résistance à l’usure), améliore la
           résistance à l’oxydation.
  Mo       Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud
  W        Améliore la résistance au fluage et à l’usure
  V        Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud
  Ti       Améliore la résistance à l’usure (carbures de Ti très durs)
  Co       Améliore la résistance à haute température, mais diminue la trempabilité
  Al       Contrôle le grossissement de grains à haute température
  Zr       Diminue la tendance à la déformation par vieillissement
  Cu       Améliore la résistance à la corrosion
  Nb       Peu utilisé


                                                                                         12
   Sidérurgie -       Classification des aciers           -   Fathi CHTIOUI   -   2013
La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer
   plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut
   (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient
   critique et se propage.
   La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette
   propagation. S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.


   La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la
   propagation d’une fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus
   précisément, on définit la ténacité comme étant la quantité d’énergie
   qu’un matériau peut absorber avant de casser.
   Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus
   grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement
   élastique comme le verre.


   Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible
   d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite
   d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.


                                                                                           13
Sidérurgie -       Classification des aciers             -   Fathi CHTIOUI      -   2013
- Les aciers destinés à des utilisations particulières
           contiendront les éléments qui les rendront
              performants pour de telles utilisations.


               - Désignation des Aciers : sert à donner des
               références aux aciers de manière à pouvoir
                  identifier les éléments principaux qui les
                                                constituent.




                                                                             14
Sidérurgie -      Classification des aciers   -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Normes de désignation des aciers


      - Il existe plusieurs normes de désignation :
                        Française (Normes AFNOR)
                                    Allemande (DIN)
                                Américaine (ASTM)
                                               etc,…

        - Normes AFNOR : désignations différentes
                 d’une nuance d’acier à une autre.

               AFNOR : Association Française de Normalisation


                                                                                   15
Sidérurgie -    Classification des aciers           -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Désignation selon les règles AFNOR

Aciers d’usage général non alliés :

- Non prévus pour subir des traitements thermiques.

- Lettre A suivie d’un nombre indiquant la résistance à la
traction en daN/mm2.

                     Exemple : A 50

-Lettre E suivie d’un nombre indiquant la limite d’élasticité en
daN/mm2, et éventuellement un chiffre indiquant la qualité.

                     Exemple : E 36-3           3 soudable


                                                                           16
Sidérurgie -    Classification des aciers   -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers au carbone

                                                              - Prévus pour TT

          - Lettres CC suivies d’un nombre qui indique la teneur
       approximative en carbone en centième.
                                                 Exemple : CC 15 => 0,15%C.

       -Lettres XC suivies d’un nombre qui indique la teneur en
  carbone en centième, ceci lorsqu’il s’agit d’aciers de tolérances
                               sur les compositions plus serrées.
Cette désignation est parfois suivie d’une ou 2 lettres qui donnent
                              d’autres renseignements sur l’acier.
                 Exemples : XC 20 S (acier à 0,2% en C, soudable),
                     XC 48 TS (acier à 0,48% en C pour trempe superficielle).

                                                                                      17
  Sidérurgie -       Classification des aciers         -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers alliés

                                              -Aciers faiblement alliés :
                  teneur en éléments d’alliage (tous) inférieure à 5%


                                                 -Aciers fortement alliés :
       teneur en éléments d’alliage (au moins un) supérieure à
                                                           5%

     •Acier faiblement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par
     ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel tous les éléments d'alliage ont
     une teneur inférieure à 5% par convention.


     •Acier fortement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par
     ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel au moins un élément d'alliage a
     une teneur supérieure à 5% par convention.




                                                                                                                       18
Sidérurgie -             Classification des aciers                          -   Fathi CHTIOUI            -      2013
Aciers faiblement alliés

                                                La désignation comprend :

- Un nombre égal à la teneur moyenne en carbone en centième.

- Une ou plusieurs lettres désignant les principaux éléments
  d’alliages dans l’ordre des teneurs décroissantes.

- Un nombre indiquant la teneur moyenne de l’élément
  correspondant à la première lettre et parfois un second nombre
  qui indique la teneur du 2ème élément.
  Ces nombres sont à diviser par un facteur multiplicateur qui
  dépend de l’élément d’addition.

                       Exemple :             30NC11
            0,3% Carbone – 11/4% Ni – quelques % de Cr.

                                                                                  19
 Sidérurgie -    Classification des aciers         -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Facteur multiplicateur

    Elément                Symbole           Facteur
                                           multiplicateur
   Aluminium                      A                  10
    Chrome                        C                   4
     Cobalt                       K                   4
   Manganèse                      M                   4
   Molybdène                      D                  10
     Nickel                       N                   4
     Plomb                        Pb                 10
    Silicium                       S                  4
     Soufre                       F                  10
     Titane                       T                  10
   Tungstène                      W                  10
   Vanadium                       V                  10

                                                                           20
Sidérurgie -   Classification des aciers    -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers fortement alliés


     - La désignation est précédée par la lettre Z

     - La suite étant identique à celle des aciers
     faiblement alliés sauf que le % de l’élément
     correspondant à la première lettre est réel (non
     divisé par le facteur multiplicateur).


                            Exemple :  Z 200 C12
                                              2% carbone, 12% chrome




                                                                                   21
Sidérurgie -      Classification des aciers         -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers à outils

Deux désignations sont utilisées :

- Notation conventionnelle relative aux aciers alliés.

- Notation à 4 chiffres :


    Exemples :   4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02
                    4371          : Z85 WDKCV 06-05-04-02




                                                                                22
 Sidérurgie -   Classification des aciers        -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Notation à 4 chiffres
  1er chiffre
           1      non alliés pour travail à froid
           2      alliés pour travail à froid
           3      alliés pour travail à chaud
           4      rapides

      2ème chiffre
                1 ou 4     1=W        4 = Mo
                  2        travail à froid – conditions spécifiques
                  3        travail à chaud – conditions spécifiques.

               3 ème chiffre : Elément d’alliage        4     W
                                                        6     V
                                                        7     Co

                 4ème chiffre : Différentes nuances du même groupe

         Exemples :   4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02
                      4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02


                                                                                       23
Sidérurgie -        Classification des aciers           -   Fathi CHTIOUI   -   2013
d’utilisation :
                          Classes d’aciers

   On définit un certain nombre de classes d’aciers
   suivant les domaines d’utilisation.

               -Acier de construction
               -Acier pour traitement thermique (TT)
               -Acier à outils




                                                                                24
Sidérurgie -      Classification des aciers      -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers de construction
- Non destinés aux traitements thermiques
- Utilisés dans la construction mécanique classique,
  les ossatures, les pylônes, les engins de levage,…
- Ce sont en général des aciers contenant :
       *   Teneurs modérées en C (< 0,3%).
       *   du Manganèse (Mn)
       *   un peu de Si (< 0,5%)
       *   et/ou de l’Al (<0,1%).

 - Doivent répondre particulièrement à 2 exigences :
      * Bonne ductilité
      * Bonne soudabilité


           Exemple : CC11, CC18, 14M4, 22M5,…
                                                                             25
  Sidérurgie -    Classification des aciers   -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers pour TT


               - Aciers au Carbone (XC08 => XC90) et aciers
                                          faiblement alliés.

                   - Utilisés pour toutes les pièces sollicitées
                 mécaniquement (travaillant à T ambiante).

                - Amélioration des propriétés assurée par les
                                     traitement thermiques.




                                                                             26
Sidérurgie -     Classification des aciers    -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Exemples d’acier pour TT


        Acier               Domaine d’application
Aciers au manganèse Chaudronnerie soudée, ressorts,….
Aciers au silicium  Engrenages, villebrequins, arbres de
                    transmission, barres de torsion
Aciers au chrome             Bielles, essieux, attelages
Aciers au Cr-Mo              Arbres de roues, de turbine, engrenages,
                             canons de fusils
Aciers au Ni-Mo              Boulonnerie vapeur
Aciers au Cr-Ni-Mo           Marteaux pilons, blocs à matrice
Aciers au Ni-Cr-Mo           Tuyauteries vapeur, gros engrenages




                                                                              27
Sidérurgie -   Classification des aciers       -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers à outils (1)

                     -Aciers pour la fabrication des outils.
                 - Propriétés particulièrement requises :
         * Bonne résistance à chaud
         * Grande dureté à froid
         * Résistance à l’usure
         * Bonne trempabilité.

     -Teneur en C élevée (0,6 à 1,4) et pouvant atteindre 2%.
     -Les résistances à l’usure et à chaud sont assurées par la
     présence de carbures (éléments carburigènes : V, Mo, W et Cr).

     - Il existe 3 types d’aciers à outils :
          * pour travail à froid (20°C)
          * pour travail à chaud
          * aciers rapides.

                                                                              28
Sidérurgie -      Classification des aciers    -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers rapides

     Les aciers rapides sont des aciers spéciaux de haute
     performance, qui offrent :
             • Une grande dureté jusqu’à une température de
             500°C
             • Et une grande résistance à l’usure (grâce à des éléments
                d’alliage tels que le tungstène, le molybdène, le vanadium et le chrome, qui
                permettent de former des carbures de grande dureté).

             • Pour améliorer la résistance à chaud, il est possible
               d’ajouter du cobalt.
L'appelation acier rapide (AR), ou ARS pour « acier rapide supérieur », désigne les aciers à outils ayant la
capacité de conserver leur trempe à haute température. Ils sont notamment employés pour la découpe à haute
vitesse (foret, …), d'où le terme « rapide », que l'on retrouve dans la désignation en anglais : high speed steel,
abrégé HSS.

Les aciers rapides sont généralement utilisés pour leurs propriétés de dureté élevées (> 60 HRC) et leur
niveau de résilience acceptable (propriété de résistance au choc).
Ils présentent en général une forte résistance à l'usure du fait de leur fort alliage et de la présence significative
d'éléments producteurs de carbures durs tels que le tungstène et le vanadium.

                                                                                                                        29
  Sidérurgie -               Classification des aciers                          -   Fathi CHTIOUI           -    2013
Aciers pour travail à froid


 Aciers pour outils travaillant à la température
 ambiante sans réchauffage notable.

 2 catégories :

                   - Aciers non alliés

                   - Aciers alliés




                                                                          30
Sidérurgie -   Classification des aciers   -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers pour travail à froid -      aciers non alliés


   - Aciers au C (jusqu’à 1,4%) contenant du Mn et du Si.

   - Les plus anciens aciers à outils (20% des aciers à outils actuels).

   - peuvent avoir une très bonne dureté, mais ils ont une
     faible trempabilité (d’où leur emploi essentiellement pour les
     pièces de sections réduites)

    - Faciles à usiner.

    - Utilisation en petite mécanique (outillage à main ou agricole,
      coutellerie).




                                                                                     31
Sidérurgie -          Classification des aciers       -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers pour travail à froid –     aciers alliés (1)

- Contiennent des éléments d’alliage tels que Mo, V, Mn, Cr, W

- % en C est élevé et peut atteindre 2%

- Meilleure trempabilité par rapport aux aciers non alliés

- Plus grande résistance à l’usure (présence de carbures alliés plus durs
 que Fe3C).

- Traitements thermiques faciles

- Pratiquement insensibles aux tapures

- Classifiés d’après leurs propriétés


                                                                                     32
Sidérurgie -         Classification des aciers        -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers pour travail à froid –     aciers alliés (2)

    - Classification d’après leurs propriétés :

                 Résistants à l’usure :
                         100C2, 130C3, Z200CD12, …

                 Très haute résistance à l’usure :
                         Z200C12, Z200CD12, Z200CDV5

                 Résistants aux chocs :
                         46S7, 45SCD6, 35NC15, 42CD4

    -Utilisation : outils de coupe de faibles ou moyennes
                   dimensions sans échauffements ni chocs
                   notables (forets, tarauds, alésoirs, lames de cisaille,…)


                                                                                     33
Sidérurgie -         Classification des aciers        -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Aciers pour travail à chaud

    - Ces aciers sont actuellement au nombre de 18.

    - Ils doivent travailler à des températures très variables,
    allant de 200°C (outillage de forge ou de cisaillage) jusqu’à 600
    ou 700°C (outillage de presse, de filage, moulage à chaud).

    -Ces aciers risquent :

               - Rupture mécanique en service

               - Déformation par fluage à chaud

               - Usure à chaud.



                                                                               34
Sidérurgie -     Classification des aciers      -   Fathi CHTIOUI   -   2013
Tapure

            Défaut grave prenant la forme d'une fissure
            débouchante ou incluse.
-Dans les alliages, l'apparition de tapures est presque toujours liée à un processus
d'échauffement ou de refroidissement.
-Les contraintes thermiques très élevées qui accompagnent un réchauffement brutal ou un
refroidissement trop rapide ne peuvent être atténuées que par déformation plastique du
métal.
-Si les caractéristiques mécaniques du métal ne se prêtent pas à une telle déformation, des
tapures apparaissent. Par exemple, un acier dur tapera plus facilement qu'un acier doux.
- Lorsqu'il y a des inclusions, c'est généralement sur elles que s'amorcent les tapures.
-Tapures majeures intéressent une partie importante de la pièce tapée. Elles rendent
inutilisables les produits où elles apparaissent.

-Tapures mineures n’ont qu'une incidence locale. Elles accroissent la fragilité des pièces.
-Les tapures de trempe constituent un cas particulier très important des tapures de
refroidissement. Elles sont évitées par des opérations de chauffage et de refroidissement
accompagnant la trempe.
                                                             Alain LE DOUARON




                                                                                                  35
 Sidérurgie -         Classification des aciers               -   Fathi CHTIOUI     -      2013
Tapure - exemple
Examen métallographique sur une lame de couteau en acier damas sandwich
présentant un défaut en long sur toute sa longueur.
La micrographie x 40 après légère attaque au Nital ( acide nitrique dilué à 3% dans de
l'alcool éthylique ) fait apparaître les différentes couches à partir du bord de la lame.
Par contre le tranchant rapporté n'a pas réagi à l'attaque, en revanche il présente sur
toute sa longueur un défaut de type tapure de trempe.



                                                             Tapures:
                                                             "Défaut provenant d’un mode
                                                             de refroidissement mal adapté
                                                             à la forme de la pièce ou à la
                                                             nuance de l’acier."
                                                             Dans ce cas de figure il n'y
                                                             avait pas eu de normalisation
                                                             ni de recuit avant la trempe.
                                                             On vois bien ici que ce n'est
                                                             pas une mauvaise soudure du
                                                             damas mais bien l'acier du
                                                             centre qui a été "déchiré" par
                                                             les tensions internes...
                                                             La conclusion: Toujours faire
                                                             des normalisations et un bon
                                                             recuit, et ces défauts ne
                                                             devraient plus apparaitre.
                                                                                                   36
   Sidérurgie -         Classification des aciers              -   Fathi CHTIOUI     -      2013
glossaire
 Allotropique (transformation allotropique) : Transformation au chauffage ou au refroidissement
 d'une variété cristalline d'un métal ou alliage en une autre variété cristalline. Par exemple, le fer
 alpha cubique centré se transforme en fer gamma cubique à faces centrées lors d'un chauffage à
 912°C.
A1 : Température de transformation des alliages fer-carbone répondant aux critères suivants : -
c'est la température à partir de laquelle l'austénite commence à apparaître au cours d'un
échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite disparaît totalement
au cours d'un refroidissement très lent.

A3 : Température de transformation des alliages fer-carbone hypoeutectoides (jusqu'à 0,77%C)
répondant aux critères suivants : - c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement
austénitique au cours d'un échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite
commence à se transformer en ferrite au cours d'un refroidissement très lent.
Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement
suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer
que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage (Ac1>A1 et Ac3>A3).

Ar : Ar définit les températures de transformation des alliages fer-carbone avec un refroidissement
suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour
indiquer qu'il y a une diminution de la température de transformation avec la vitesse de
refroidissement (Ar1<a3).<="" p="">
Acm : Température matérialisant la solubilité maximale du carbone dans l'austénite des alliages fer-
carbone. Acm existe uniquement pour les alliages hypereutectoides (entre 0,77 et environ 2%C) et
répond aux critères suivants : c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement
austénitique au cours d'un échauffement très lent ; c'est la température à partir de laquelle il
apparait de la cémentite dans l'austénite au cours d'un refroidissement très lent.


                                                                                                                37
Sidérurgie -            Classification des aciers                        -   Fathi CHTIOUI         -     2013
glossaire


 Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible d’un
 matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d’élasticité du
 matériau, pendant une durée suffisante.


La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une
fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité comme
étant la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber avant de casser.
Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande
ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre.


La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement
sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par
la déformation plastique, devient critique et se propage.
La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette propagation.
S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.




                                                                                               38
Sidérurgie -        Classification des aciers               -   Fathi CHTIOUI      -    2013

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  • 1. Ecole Polytechnique de Tunisie Procédés II - partie 5 Classification et désignations des aciers Année universitaire 2012 - 2013 1
  • 2. Diagramme Fe -C 2 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 3. Diagramme Fe -C 3 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 4. Diagramme Fe -C - Le diagramme Fe-C renseigne sur le comportement d’un alliage Fe-C. - Les aciers usuels contiennent des éléments d’alliage et des impuretés (addition involontaire, éléments non éliminés en cours d’élaboration) incorporés dans la structure. - Si la quantité d’éléments ajoutés est importante, elle peut dépasse la limite de solubilité et d’autres phases vont se former et conditionner les propriétés de l’acier. 4 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 5. Effets des éléments d’alliage Les différents éléments d’alliage (ou d’addition) peuvent être divisés en 3 grandes classes : - Les éléments alphagènes - Les éléments gammagènes - Les élements carburigènes Addition (élément d'addition) : Eléments chimique (métallique ou non) ajouté en quantité modérée dans la composition d'un alliage pour modifier ses propriétés métallurgiques. Alliage (élément d'alliage) : Elément chimique (métallique ou non) ajouté en quantité relativement importante dans la composition d'un alliage pour optimiser ses propriétés métallurgiques. 5 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 6. Les éléments alphagènes  contribuent à l’extension du domaine de la solution solide α et réduisent celui de γ.  En général, ils ont la même structure cristalline que α : cubique centrée.  Exemples : Cr, Nb, Si,… Alphagène (élément alphagène) : Elément d'alliage dont la présence accroit le domaine des températures d'existence d'une phase solide appelée «alpha» . Acier ferritique : Acier dont la structure est essentiellement constituée de ferrite à température ambiante. 6 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 7. Les éléments gammagènes  diminuent AC1 et étendent le domaine de la solution solide γ (austénite).  abaissent la température de transformation α => γ (AC3). Austénite : Solution solide d'un ou plusieurs éléments (carbone, manganèse, nickel,…) dans le fer gamma de structure cubique à face centrée. Acier austénitique : Acier dont la structure est essentiellement constituée d'austénite à température ambiante. 7 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 8. AC1 –AC3 Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage (Ac1>A1 et Ac3>A3). 8 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 9. AC1 –AC3 Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage (Ac1>A1 et Ac3>A3). 9 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 10. Les éléments carburigènes  Ce sont les éléments qui ont une forte tendance, s’ils sont présents en quantité suffisante à former avec le carbone des carbures. Exemple : V, Ti, Nb, W, Mo, Cr…. Les éléments connus pour être peu ou pas carburigènes sont Ni, Si, Cu, N, Mn. 10 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 11. Rôle des différents éléments d’alliage Tendance à former Rôle pour la Rôle durcissant Eléments des carbures résistance au fluage C fort à modéré - Modéré à faible Mn modéré à fort modéré faible P modéré nul modéré S négatif nul nul Si modéré négatif faible Ni modéré nul faible Cr fort fort faible Mo fort fort fort W faible fort fort V fort fort fort Ti fort fort modéré Co négatif nul faible Al faible négatif négatif Zr faible fort - Cu modéré nul - Nb fort fort modéré 11 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 12. Chaque élément a une fonction principale : Eléments Fonction principale C Contrôle le niveau de résistance Mn Durcit, améliore la trempabilité et la ductilité P Améliore la résistance à la corrosion S Améliore l’usinabilité mais diminue la ductilité Si Intervient comme désoxydant Ni Durcissant par solution solide, améliore la ténacité à basse T° Cr Durcissant par formation de carbures (résistance à l’usure), améliore la résistance à l’oxydation. Mo Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud W Améliore la résistance au fluage et à l’usure V Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud Ti Améliore la résistance à l’usure (carbures de Ti très durs) Co Améliore la résistance à haute température, mais diminue la trempabilité Al Contrôle le grossissement de grains à haute température Zr Diminue la tendance à la déformation par vieillissement Cu Améliore la résistance à la corrosion Nb Peu utilisé 12 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 13. La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se propage. La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette propagation. S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile. La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité comme étant la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber avant de casser. Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre. Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante. 13 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 14. - Les aciers destinés à des utilisations particulières contiendront les éléments qui les rendront performants pour de telles utilisations. - Désignation des Aciers : sert à donner des références aux aciers de manière à pouvoir identifier les éléments principaux qui les constituent. 14 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 15. Normes de désignation des aciers - Il existe plusieurs normes de désignation : Française (Normes AFNOR) Allemande (DIN) Américaine (ASTM) etc,… - Normes AFNOR : désignations différentes d’une nuance d’acier à une autre. AFNOR : Association Française de Normalisation 15 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 16. Désignation selon les règles AFNOR Aciers d’usage général non alliés : - Non prévus pour subir des traitements thermiques. - Lettre A suivie d’un nombre indiquant la résistance à la traction en daN/mm2. Exemple : A 50 -Lettre E suivie d’un nombre indiquant la limite d’élasticité en daN/mm2, et éventuellement un chiffre indiquant la qualité. Exemple : E 36-3 3 soudable 16 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 17. Aciers au carbone - Prévus pour TT - Lettres CC suivies d’un nombre qui indique la teneur approximative en carbone en centième. Exemple : CC 15 => 0,15%C. -Lettres XC suivies d’un nombre qui indique la teneur en carbone en centième, ceci lorsqu’il s’agit d’aciers de tolérances sur les compositions plus serrées. Cette désignation est parfois suivie d’une ou 2 lettres qui donnent d’autres renseignements sur l’acier. Exemples : XC 20 S (acier à 0,2% en C, soudable), XC 48 TS (acier à 0,48% en C pour trempe superficielle). 17 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 18. Aciers alliés -Aciers faiblement alliés : teneur en éléments d’alliage (tous) inférieure à 5% -Aciers fortement alliés : teneur en éléments d’alliage (au moins un) supérieure à 5% •Acier faiblement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel tous les éléments d'alliage ont une teneur inférieure à 5% par convention. •Acier fortement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel au moins un élément d'alliage a une teneur supérieure à 5% par convention. 18 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 19. Aciers faiblement alliés La désignation comprend : - Un nombre égal à la teneur moyenne en carbone en centième. - Une ou plusieurs lettres désignant les principaux éléments d’alliages dans l’ordre des teneurs décroissantes. - Un nombre indiquant la teneur moyenne de l’élément correspondant à la première lettre et parfois un second nombre qui indique la teneur du 2ème élément. Ces nombres sont à diviser par un facteur multiplicateur qui dépend de l’élément d’addition. Exemple : 30NC11 0,3% Carbone – 11/4% Ni – quelques % de Cr. 19 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 20. Facteur multiplicateur Elément Symbole Facteur multiplicateur Aluminium A 10 Chrome C 4 Cobalt K 4 Manganèse M 4 Molybdène D 10 Nickel N 4 Plomb Pb 10 Silicium S 4 Soufre F 10 Titane T 10 Tungstène W 10 Vanadium V 10 20 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 21. Aciers fortement alliés - La désignation est précédée par la lettre Z - La suite étant identique à celle des aciers faiblement alliés sauf que le % de l’élément correspondant à la première lettre est réel (non divisé par le facteur multiplicateur). Exemple :  Z 200 C12 2% carbone, 12% chrome 21 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 22. Aciers à outils Deux désignations sont utilisées : - Notation conventionnelle relative aux aciers alliés. - Notation à 4 chiffres : Exemples :   4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02 4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02 22 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 23. Notation à 4 chiffres 1er chiffre 1 non alliés pour travail à froid 2 alliés pour travail à froid 3 alliés pour travail à chaud 4 rapides 2ème chiffre 1 ou 4 1=W 4 = Mo 2 travail à froid – conditions spécifiques 3 travail à chaud – conditions spécifiques. 3 ème chiffre : Elément d’alliage 4 W 6 V 7 Co 4ème chiffre : Différentes nuances du même groupe Exemples :   4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02 4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02 23 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 24. d’utilisation : Classes d’aciers On définit un certain nombre de classes d’aciers suivant les domaines d’utilisation. -Acier de construction -Acier pour traitement thermique (TT) -Acier à outils 24 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 25. Aciers de construction - Non destinés aux traitements thermiques - Utilisés dans la construction mécanique classique, les ossatures, les pylônes, les engins de levage,… - Ce sont en général des aciers contenant : * Teneurs modérées en C (< 0,3%). * du Manganèse (Mn) * un peu de Si (< 0,5%) * et/ou de l’Al (<0,1%). - Doivent répondre particulièrement à 2 exigences : * Bonne ductilité * Bonne soudabilité Exemple : CC11, CC18, 14M4, 22M5,… 25 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 26. Aciers pour TT - Aciers au Carbone (XC08 => XC90) et aciers faiblement alliés. - Utilisés pour toutes les pièces sollicitées mécaniquement (travaillant à T ambiante). - Amélioration des propriétés assurée par les traitement thermiques. 26 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 27. Exemples d’acier pour TT Acier Domaine d’application Aciers au manganèse Chaudronnerie soudée, ressorts,…. Aciers au silicium Engrenages, villebrequins, arbres de transmission, barres de torsion Aciers au chrome Bielles, essieux, attelages Aciers au Cr-Mo Arbres de roues, de turbine, engrenages, canons de fusils Aciers au Ni-Mo Boulonnerie vapeur Aciers au Cr-Ni-Mo Marteaux pilons, blocs à matrice Aciers au Ni-Cr-Mo Tuyauteries vapeur, gros engrenages 27 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 28. Aciers à outils (1) -Aciers pour la fabrication des outils. - Propriétés particulièrement requises : * Bonne résistance à chaud * Grande dureté à froid * Résistance à l’usure * Bonne trempabilité. -Teneur en C élevée (0,6 à 1,4) et pouvant atteindre 2%. -Les résistances à l’usure et à chaud sont assurées par la présence de carbures (éléments carburigènes : V, Mo, W et Cr). - Il existe 3 types d’aciers à outils : * pour travail à froid (20°C) * pour travail à chaud * aciers rapides. 28 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 29. Aciers rapides Les aciers rapides sont des aciers spéciaux de haute performance, qui offrent : • Une grande dureté jusqu’à une température de 500°C • Et une grande résistance à l’usure (grâce à des éléments d’alliage tels que le tungstène, le molybdène, le vanadium et le chrome, qui permettent de former des carbures de grande dureté). • Pour améliorer la résistance à chaud, il est possible d’ajouter du cobalt. L'appelation acier rapide (AR), ou ARS pour « acier rapide supérieur », désigne les aciers à outils ayant la capacité de conserver leur trempe à haute température. Ils sont notamment employés pour la découpe à haute vitesse (foret, …), d'où le terme « rapide », que l'on retrouve dans la désignation en anglais : high speed steel, abrégé HSS. Les aciers rapides sont généralement utilisés pour leurs propriétés de dureté élevées (> 60 HRC) et leur niveau de résilience acceptable (propriété de résistance au choc). Ils présentent en général une forte résistance à l'usure du fait de leur fort alliage et de la présence significative d'éléments producteurs de carbures durs tels que le tungstène et le vanadium. 29 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 30. Aciers pour travail à froid Aciers pour outils travaillant à la température ambiante sans réchauffage notable. 2 catégories : - Aciers non alliés - Aciers alliés 30 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 31. Aciers pour travail à froid - aciers non alliés - Aciers au C (jusqu’à 1,4%) contenant du Mn et du Si. - Les plus anciens aciers à outils (20% des aciers à outils actuels). - peuvent avoir une très bonne dureté, mais ils ont une faible trempabilité (d’où leur emploi essentiellement pour les pièces de sections réduites) - Faciles à usiner. - Utilisation en petite mécanique (outillage à main ou agricole, coutellerie). 31 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 32. Aciers pour travail à froid – aciers alliés (1) - Contiennent des éléments d’alliage tels que Mo, V, Mn, Cr, W - % en C est élevé et peut atteindre 2% - Meilleure trempabilité par rapport aux aciers non alliés - Plus grande résistance à l’usure (présence de carbures alliés plus durs que Fe3C). - Traitements thermiques faciles - Pratiquement insensibles aux tapures - Classifiés d’après leurs propriétés 32 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 33. Aciers pour travail à froid – aciers alliés (2) - Classification d’après leurs propriétés : Résistants à l’usure : 100C2, 130C3, Z200CD12, … Très haute résistance à l’usure : Z200C12, Z200CD12, Z200CDV5 Résistants aux chocs : 46S7, 45SCD6, 35NC15, 42CD4 -Utilisation : outils de coupe de faibles ou moyennes dimensions sans échauffements ni chocs notables (forets, tarauds, alésoirs, lames de cisaille,…) 33 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 34. Aciers pour travail à chaud - Ces aciers sont actuellement au nombre de 18. - Ils doivent travailler à des températures très variables, allant de 200°C (outillage de forge ou de cisaillage) jusqu’à 600 ou 700°C (outillage de presse, de filage, moulage à chaud). -Ces aciers risquent : - Rupture mécanique en service - Déformation par fluage à chaud - Usure à chaud. 34 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 35. Tapure Défaut grave prenant la forme d'une fissure débouchante ou incluse. -Dans les alliages, l'apparition de tapures est presque toujours liée à un processus d'échauffement ou de refroidissement. -Les contraintes thermiques très élevées qui accompagnent un réchauffement brutal ou un refroidissement trop rapide ne peuvent être atténuées que par déformation plastique du métal. -Si les caractéristiques mécaniques du métal ne se prêtent pas à une telle déformation, des tapures apparaissent. Par exemple, un acier dur tapera plus facilement qu'un acier doux. - Lorsqu'il y a des inclusions, c'est généralement sur elles que s'amorcent les tapures. -Tapures majeures intéressent une partie importante de la pièce tapée. Elles rendent inutilisables les produits où elles apparaissent. -Tapures mineures n’ont qu'une incidence locale. Elles accroissent la fragilité des pièces. -Les tapures de trempe constituent un cas particulier très important des tapures de refroidissement. Elles sont évitées par des opérations de chauffage et de refroidissement accompagnant la trempe. Alain LE DOUARON 35 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 36. Tapure - exemple Examen métallographique sur une lame de couteau en acier damas sandwich présentant un défaut en long sur toute sa longueur. La micrographie x 40 après légère attaque au Nital ( acide nitrique dilué à 3% dans de l'alcool éthylique ) fait apparaître les différentes couches à partir du bord de la lame. Par contre le tranchant rapporté n'a pas réagi à l'attaque, en revanche il présente sur toute sa longueur un défaut de type tapure de trempe. Tapures: "Défaut provenant d’un mode de refroidissement mal adapté à la forme de la pièce ou à la nuance de l’acier." Dans ce cas de figure il n'y avait pas eu de normalisation ni de recuit avant la trempe. On vois bien ici que ce n'est pas une mauvaise soudure du damas mais bien l'acier du centre qui a été "déchiré" par les tensions internes... La conclusion: Toujours faire des normalisations et un bon recuit, et ces défauts ne devraient plus apparaitre. 36 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 37. glossaire Allotropique (transformation allotropique) : Transformation au chauffage ou au refroidissement d'une variété cristalline d'un métal ou alliage en une autre variété cristalline. Par exemple, le fer alpha cubique centré se transforme en fer gamma cubique à faces centrées lors d'un chauffage à 912°C. A1 : Température de transformation des alliages fer-carbone répondant aux critères suivants : - c'est la température à partir de laquelle l'austénite commence à apparaître au cours d'un échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite disparaît totalement au cours d'un refroidissement très lent. A3 : Température de transformation des alliages fer-carbone hypoeutectoides (jusqu'à 0,77%C) répondant aux critères suivants : - c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement austénitique au cours d'un échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite commence à se transformer en ferrite au cours d'un refroidissement très lent. Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage (Ac1>A1 et Ac3>A3). Ar : Ar définit les températures de transformation des alliages fer-carbone avec un refroidissement suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer qu'il y a une diminution de la température de transformation avec la vitesse de refroidissement (Ar1<a3).<="" p=""> Acm : Température matérialisant la solubilité maximale du carbone dans l'austénite des alliages fer- carbone. Acm existe uniquement pour les alliages hypereutectoides (entre 0,77 et environ 2%C) et répond aux critères suivants : c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement austénitique au cours d'un échauffement très lent ; c'est la température à partir de laquelle il apparait de la cémentite dans l'austénite au cours d'un refroidissement très lent. 37 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013
  • 38. glossaire Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante. La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité comme étant la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber avant de casser. Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre. La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se propage. La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette propagation. S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile. 38 Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013