Acier
L'acier est un alliage composé essentiellement de fer, contenant jusqu'à 2,1 % de carbone en masse (au delà, on parle de fonte), et éventuellement d'autres éléments. La présence de carbone rend progressivement l'acier plus dur, mais plus cassant.
Composition des aciers
On dinstingue plusieurs types d'aciers selon leur structure cristallographique :
- les aciers ferritiques, qui ont une symétrie cristalline cubique centrée (fer α ou ferrite) ;
- les aciers austénitiques, qui ont une symétrie cristalline cubique à faces centrées (fer γ ou austénite) ;
- les aciers martensitiques, qui contiennent des aiguilles de carbures (martensite).
Le diagramme fer-carbone permet de visualiser la forme d'acier que l'on a selon la température et la teneur en carbone. Toutefois, ce diagramme n'est valable que pour des aciers non-alliés, c'est-à-dire ne contenant que du fer et du carbone. Certains éléments d'alliage favorisent par exemple la forme γ (on parle d'éléments gammagènes : nickel et manganèse).
Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser conditions d'existence des formes d'acier
Sur ce diagramme, on parle d'acier jusqu'à 1,7 % en masse de carbone (limite de la zone d'austénite), mais ont peut avoir des aciers contenant plus de carbone lorsque l'on ajoute des éléments d'alliage.
Le carbone provient du procédé de réduction du minerai, qui se fait avec du charbon dans un haut-fourneau. Selon les propriétés désirées, on ajoute ou on enlève des éléments d'alliage :
- le bore renforce la cohésion des joints de grains, on en ajoute parfois en faible teneur (quelques centaines de ppm en masse) ;
- le soufre fragilise l'acier, par précipitation de sulfures aux joints de grains, on l'enlève donc lors de l'élaboration ;
- le nickel et le chrome protègent de la corrosion en venant former une couche passive, ils sont donc présents dans les aciers dits "inoxydables" ;
- mais aussi le magnésium, l'aluminium, le silicium, le titane, le manganèse, le cobalt, le zinc, l'yttrium...
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 10 % de nickel et 18 % de chrome en masse).
Propriétés des aciers
Ils ont un module d'Young d'environ 200 GPa, indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermo-mécanique et des traitements de surface auxquels ils ont été soumis.
L'acier et l'économie
- Entreprises prdoctrices : Arcelor, JFE, Nippon Steel, Posco, Ispat, Corus, Thyssen-Krupp, Bao steel, Riva, Sumitomo