Aciers speciaux de construction mecanique

Guy MURRY
ingénieur ENSEEG, docteur-ingénieur, ancien Président de
l’Association technique du traitement thermique (ATT) et de
l’Association internationale de traitement thermique (AITT).
Ancien directeur de l’Office technique pour l’utilisation de
l’acier (OTUA) et professeur honoraire associé au CNAM
(Métallurgie).
SOMMAIRE
1. Définitions et notions de base
2.Normalisation
3.Propriétés d’usage et de mise en œuvre
4.Choix des aciers
5.Évolution des aciers spéciaux
6.Renseignements pratiques
D Définition
R Remarque
W Lien Internet
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Aciers spéciaux de construction mécanique
Selon la norme européenne NF EN 10020 , un acier spécial est, la plupart du
temps, destiné à un traitement thermique (trempe et revenu, trempe
superficielle…). De ce fait, il se caractérise par une réponse régulière à ce
traitement. Sa composition, ajustée dans le cadre d’une élaboration particulière,
lui confère une bonne propreté inclusionnaire, des facilités de façonnage et des
aptitudes particulières à l’emploi. Il peut être allié ou non.
Selon la même norme, un acier a généralement une teneur en carbone inférieure
à 2 %, cette valeur marquant la limite courante entre les aciers et les fontes.
Parmi les aciers spéciaux se trouvent les aciers de construction mécanique,
essentiellement destinés aux mécaniciens. En effet, le traitement thermique final
donne à ces aciers des propriétés d’emploi très performantes, tandis qu’un ou
plusieurs traitements thermiques intermédiaires permettent de les mettre en
œuvre (par formage, usinage, etc.) dans les conditions les moins pénalisantes
et les plus économiques.
Les mécaniciens mettent donc à profit la remarquable facilité d’adaptation des
aciers. Les traitements thermiques permettent d’obtenir des propriétés mécaniques
très variées en fonction des états structuraux. De plus, il est possible d’obtenir
des propriétés très particulières sur les zones de surface des pièces en acier par
une modification locale de la composition chimique. Ce sont toutes les solutions
apportées par les traitements thermochimiques, lesquels justifient parfois, pour
une meilleure exploitation, l’utilisation de nuances d’aciers spécifiques.
En utilisant les traitements thermiques industriels de durcissement, les
mécaniciens recherchent un judicieux compromis entre les caractéristiques de
résistance et celles de ductilité, pour assurer simultanément la performance des
pièces et la sécurité en service. Les caractéristiques de résistance sont fonction
de la capacité de durcissement de l’acier tandis que le niveau des caractéristiques
de ductilité dépend :
−− d’une part, de l’habituelle compétition entre résistance et ductilité,
−− d’autre part, de divers facteurs métallurgiques tels que l’état inclusionnaire
et la grosseur de grain.
Par ailleurs, les mécaniciens demandent aussi à ces aciers d’être relativement
faciles à travailler. Les particularités liées à cette exigence complémentaire seront
examinées dans le cadre de la mise en œuvre.
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Définitions et notions de base
1. Définitions et notions de base
A.Principes du durcissement des aciers
Au voisinage de la température ambiante, le fer présente des caractéristiques
de résistance assez faibles (Re de l’ordre de 110 N/mm2 à 120 N/mm2). Pour
les augmenter, il faut diminuer ses possibilités de déformation plastique qui
dépendent de la mobilité des dislocations. Il faut donc installer sur le parcours
de ces dernières des obstacles qui pourront être :
−− d’autres dislocations générées par écrouissage,
−− des atomes étrangers introduits en solution solide,
−− des joints de grain,
−− des précipités.
a.Durcissement par écrouissage
Les forces d’interaction (attraction ou répulsion), les contraintes créées par les
dislocations en dehors de leur plan et les crans formés lors des croisements
freinent les dislocations mobiles. La valeur de la contrainte nécessaire pour
déplacer une dislocation est globalement égale à la somme :
−− d’un terme constant égal à la contrainte apte à déplacer une dislocation
dans un monocristal parfait,
−− d’un terme proportionnel à la racine carrée de la densité des dislocations.
Cette densité peut approximativement varier de 106 cm/cm3 dans un acier
recuit à 1011 cm/cm3 à 1012 cm/cm3 dans un acier écroui.
La courbe de traction décrit les possibilités d’un tel durcissement qui consomme
une part plus ou moins grande de la plasticité du métal de départ. Ce durcissement
diminue et peut totalement disparaître à l’occasion d’un réchauffage susceptible
de provoquer une restauration ou une recristallisation.
b.Durcissement par les éléments en solution solide
Les éléments d’alliage en solution solide ayant des rayons atomiques différents
de celui des atomes de fer créent des distorsions élastiques du réseau et
engendrent de ce fait des interactions avec les dislocations.
Si les atomes en solution sont peu mobiles (soluté en substitution), une ligne
de dislocation, gênée dans son déplacement, s’arrête provisoirement sur ces
obstacles en se déformant selon la répartition des atomes du soluté : l’effort
nécessaire pour reprendre son déplacement est augmenté (il faut l’arracher à
cette position plus stable).
Si les atomes en solution sont très mobiles (soluté en insertion), ils vont diffuser
vers les zones perturbées autour des dislocations, formant des nuages de Cotrell
et ancrant ainsi ces dernières, alors plus difficiles à déplacer.
D Définition
R Remarque
W Lien Internet
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