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« Constructions Métalliques » Matériau Acier Laurence DAVAINE laurence.davaine@

« Constructions Métalliques » Matériau Acier Laurence DAVAINE laurence.davaine@ingerop.com 2 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid 5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles Sommaire 3 Matières premières Dans la nature, on ne trouve pas d’acier, mais du minerai de fer qui est composé d’oxydes de fer (Fe2 O3) emprisonnés dans une gangue (roches stériles, soufre et phosphore). - Minerais riches en fer (65 %) ou à faible teneur en fer (30 %) - Minerais à faible teneur en phosphore, ou minerai phosphoreux Objectif de l’homme depuis plus de 3 000 ans : « nettoyer » ce minerai pour obtenir un réseau cristallin d’atomes de fer le plus pur possible (éventuellement avec des additions volontaires, Cr Ni Mn Si Mo Al…) pour améliorer les propriétés du matériau, en faciliter l’utilisation, et le rendre plus « solide ». Principes du nettoyage : 1. Chauffer le minerai avec un combustible carboné (bois, charbon, coke) dans un four, 2. Atteindre la température nécessaire à sa fusion (1250 °C), 3. Introduire de l’oxygène et dégager les gaz CO et CO2 nécessaires à sa réduction : Fe2 O3 + 2 C ---> 2 Fe + CO + CO2 4 De -1700 avant J.C. à la fin du moyen âge : Des couches alternées minerai de fer (FeO + S + P) et de bois étaient chauffées ensemble jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour obtenir du fer brut, prêt à être forgé. Au XVème siècle : La génération des premiers "hauts fourneaux" de près de 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide (Tp>1250°C), la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, tuyau) par moulage. Fonte = 94 à 96% de fer, 3 à 4% de carbone, 1 à 2% d’autres éléments (phosphore, soufre) A l’état solide, la fonte est fragile et ne peut pas être travaillée (forgeage) sans diminuer le % de C, P et S. C’est l’affinage. De l’âge du fer au IIIème millénaire 5 Fer, fonte, fer puddlé, acier doux Vers 1790 : Le premier procédé d’affinage est un brassage énergique (puddlage) de la fonte liquide avec un oxydant (l’air atmosphérique introduit dans le four à l’aide d’un soufflet). On obtient du fer puddlé. Au XIXème siècle : L’amélioration des procédés d’affinage en utilisant des fours (Bessemer, Thomas puis Martin) a permis un développement spectaculaire à l’échelle industrielle. En quelques décennies, l'acier a permis d'équiper l'industrie et a remplacé le fer. - Convertisseur Thomas (~1880 jusqu’en 1960): air enrichi en oxygène, insufflé dans la masse du mélange de fonte liquide et de chaux => acier doux, ductile et soudable - Convertisseur à l’oxygène pur (depuis 1960) soufflé sur la surface de la fonte en fusion (à 1600 °C) - Four Siemens-Martin: affinage très lent, meilleur contrôle de l’oxydation (addition d’éléments d’alliage Mn, Si, Ti, Nb, V) et d’ajouter des ferrailles au mélange « fonte+chaux », mais faible productivité et forte consommation d’énergie (procédé abandonné) => acier à grains fins, très facile à souder Après affinage, quelque soit le procédé, la limite d’élasticité vaut fy 240 MPa 6 Le haut fourneau d’aujourd’hui Laitier : gangue liquide qui se sépare de la fonte en raison de sa moindre densité Fonte Minerai de fer & coke Air insufflé à 1250 °C • Jusqu’à 70 m de haut et 14 m de diamètre • Jusqu’à 10 000 tonnes de fonte par jour La fonte liquide est transportée dans un wagon-poche vers le convertisseur à oxygène. 7 Injection de carbure de calcium Le soufre se fixe dans le laitier CaC2 + S => CaS + 2 C La désulfuration dans le wagon-poche 8 Le convertisseur à oxygène La fonte en fusion est versée sur un lit de ferrailles (Cu, Ni, Cr, Al, V, Mn,…) dans le convertisseur. Les éléments indésirables (carbone, silicium, phosphore, soufre) contenus dans la fonte sont brûlés en insufflant de l’oxygène pur. acier liquide à 1600°C Fer presque pur < 0,85 % de C (mécanique) < 0,3 % de C (construction) < 0,03 % de P, S, Si fonte liquide à 1250°C 94 à 96% de Fe 3 à 4% de C 1 à 2% de P, S, Si Les résidus, moins denses, sont récupérés (laitier d’acierie). L’acier liquide est versé dans la « poche de coulée ». 9 L’acier est 100% recyclable ! 60 % de la production européenne 40 % de la production européenne 10 De l’acier liquide aux produits semi-finis 75 % de la production mondiale, 90 % en Europe occidentale, 94 % en France. 10m x 2m x 0.45m 11 Poches d’acier liquide sur tourniquet pour alimentation en continu Répartiteur & lingotière Zones de refroidissement et de solidification Extraction & oxycoupage des « brames » Ici 2 « files » de coulée Brames La coulée continue 12 La brame oxycoupée en sortie de coulée continue http://www.construiracier.fr/ 13 Le laminage à chaud des produits semi-finis Entre 800 et 1200 °C 30% de la production d’acier 70% de la production d’acier 14 Cylindres lisses Cylindres à cannelures 15 Traitements après le laminage à chaud • Laminage à froid pour diminuer l’épaisseur des produits plats et obtenir des bobines ou des feuillards à emboutir ou à plier, noirs ou revêtus (zinc, étain, laques,…) • Formage à froid Etirage (pour obtenir des fils par exemple) Pliage,… => Écrouissage de l’acier (dépassement de fy) d’où une ductilité et un allongement à la rupture réduit • Traitements thermiques - Recuit de normalisation - Recuit de détensionnement - Trempe - Revenu 16 Les traitements thermiques Principe : exploiter les transformations de la structure cristalline provoquée par la température, en jouant sur ses vitesses de variation, pour donner à l’acier de meilleures caractéristiques mécaniques A1=728°C, apparition des premiers cristaux d’austénite (CFC) dans la ferrite (CC) A3= f (%C) de 728°C à 906°C, austénisation complète 17 Les traitements thermiques • Recuit de recristallisation (600 à 700 °C sans austénitisation) Le laminage ou les traitements mécaniques (pliage) peuvent écrouir l’acier, ce qui le rend moins ductile et donne une orientation privilégiée aux grains. Ce recuit permet de rétablir le réseau cristallin normal de ferrite. • Recuit de normalisation (900°C avec début d’austénitisation) Il permet d’améliorer la finesse des grains de ferrite, et donc les caractéristiques mécaniques de l’acier. • Trempe (réservée aux aciers avec %C < 0,15 %, sinon formation de martensite) Idem que le recuit de normalisation, mais avec un maintien sur le palier à 900°C jusqu’à austénitisation complète, puis un refroidissement brutal accéléré. => Réseau cristallin distordu => Dureté très élevée mais perte de ductilité ! • Revenu (échauffement 550 à 600 °C, palier, puis refroidissement à l’air calme) Il permet d’atténuer la perte de ductilité de la trempe et de retrouver partiellement un réseau cristallin normal. => La martensite se transforme en cémentite localisée au droit des joints de grains. 18 La micro-structure de l’acier Ferrite CC Austénite CFC si température > 720°C Espaces interstitiels et solubilité du C Les atomes C de plus petite taille s’insèrent plus facilement dans le réseau cristallin CFC que dans le réseau CC. Ils le déforment mais ne se substituent pas aux atomes Fe. L’acier est une multitude de grains (cristaux) d’orientations et de tailles différentes. Un grain comporte plusieurs milliers de mailles d’atomes. La cémentite (Fe3C) et le graphite sont extérieurs au réseau cristallin et se localisent aux joints de grains. 19 Fer α (CC) Fer (CFC) Fer (CC) 910 °C 0 °C 1390 °C Acier de construction courant : structure ferrito-perlitique 20 Points critiques : A1 = 728°C Apparition des premiers cristaux d’austénite A2 = 769°C Disparition du magnétisme du fer α A3 = f (%C) Austénisation complète A4 = f (%C) Début de liquéfaction Acier de construction courant : structure ferrito-perlitique 21 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid 5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles Sommaire 22 Les propriétés de l’acier de construction • Propriétés physiques (à température ambiante) - Masse volumique : ρ = 7850 kg/m3 - Module d’élasticité : E = 210 000 MPa - Coefficient de Poisson : ν = 0.3 - Module de cisaillement : G = E / 2(1+ν) = 81 000 MPa - Coefficient de dilatation thermique : α = 12 .10-6 /°C • Propriétés chimiques - Composition chimique - Soudabilité et CEV • Propriétés mécaniques - Limite d’élasticité fy - Limite de rupture (ou résistance à la traction) fu - Ténacité K 23 Composition chimique Impuretés indésirables Phosphore P Grossissement du grain, d’où une fragilité à froid Baisse de soudabilité Soufre S Diminution de la résilience Baisse des possibilités de forgeage Azote N Diminution uploads/Industriel/ 01-materiau-acier.pdf