Composition de l'acier : éléments chimiques, pratiques d'alliage et spécifications

Le fer, le carbone et la définition de l'acier

L'acier est un alliage à base de fer dont le carbone est le principal élément d'alliage. Le carbone se dissout dans le réseau cristallin du fer et, en fonction du traitement thermique, se répartit de manière à produire une très grande variété de microstructures et de propriétés mécaniques. La limite supérieure de teneur en carbone pour l'acier est généralement fixée à 2,1 % en poids ; au-delà de cette valeur, l'alliage se solidifie avec la formation de carbures primaires et est classé dans la catégorie de la fonte, dont les caractéristiques de mise en œuvre sont fondamentalement différentes.

Au sein de la gamme des aciers, la teneur en carbone est la principale variable qui détermine la réaction au traitement thermique. Les aciers à faible teneur en carbone sont résistants et soudables, mais ne se durcissent pas de manière significative. Les nuances à haute teneur en carbone atteignent une dureté et une résistance élevées après trempe, mais deviennent progressivement plus difficiles à souder et plus sensibles à la rupture fragile si les procédures thermiques ne sont pas soigneusement contrôlées.

Éléments d'alliage dans l'acier

Outre le carbone, la plupart des aciers commerciaux contiennent des éléments supplémentaires ajoutés intentionnellement afin d’obtenir des résultats métallurgiques spécifiques. C’est le choix et l’équilibre de ces éléments qui permettent de distinguer un acier de construction doux d’un acier inoxydable duplex, d’une nuance cryogénique ou d’un acier résistant au fluage destiné aux appareils sous pression.

Le manganèse est présent dans pratiquement toutes les nuances commerciales. Il agit comme désoxydant lors de la fabrication de l'acier, améliore la trempabilité et se combine avec le soufre pour former du sulfure de manganèse, qui nuit nettement moins aux propriétés que le sulfure de fer. Le chrome, à des teneurs supérieures à environ 10,5 % en poids, forme le film d’oxyde passif qui confère aux aciers inoxydables leur résistance à la corrosion ; à des concentrations plus faibles, il contribue à la trempabilité et à la résistance à l’usure. Le nickel améliore la ténacité et la résistance aux chocs à basse température et en dessous de zéro, ce qui en fait l’ajout déterminant dans les aciers destinés aux applications cryogéniques et en milieu arctique. Le molybdène augmente la résistance à haute température et la résistance au fluage ; c’est un ajout standard dans les aciers destinés aux récipients sous pression et aux installations fonctionnant à température élevée. Le vanadium et le niobium, efficaces à de très faibles concentrations, sont des affineurs de grain et des durcisseurs par précipitation ; ils constituent les ajouts caractéristiques des nuances modernes d’aciers faiblement alliés à haute résistance (HSLA), où des augmentations significatives de la résistance sont obtenues sans augmenter la teneur en carbone. Le silicium sert principalement de désoxydant, bien qu’à des concentrations plus élevées, il soit utilisé pour ajuster les propriétés magnétiques des aciers électriques.

Le phosphore et le soufre sont également présents dans tous les aciers, non pas en tant qu'ajouts intentionnels, mais sous forme d'impuretés de fabrication provenant des matières premières. Tous deux altèrent les propriétés mécaniques dès qu'ils dépassent des niveaux infimes et sont donc contrôlés dans le respect de limites maximales définies pour toutes les nuances techniques. Les pratiques modernes de fabrication de l'acier permettent de maintenir la teneur de ces éléments à un niveau suffisamment bas pour que leur effet sur les propriétés soit négligeable dans la grande majorité des applications.

Le tableau ci-dessous résume ces éléments, leurs rôles et les fourchettes de composition habituelles dans la pratique commerciale.

Tableau 1. Principaux éléments constitutifs de l'acier, leurs rôles et fourchettes indicatives de pourcentage massique. Les valeurs correspondent aux pratiques commerciales courantes ; les limites spécifiées sont définies par la norme applicable au produit.

Comment la composition de l'acier est-elle spécifiée et indiquée ?

Analyse thermique et analyse des produits

La composition de l'acier est déterminée à deux étapes de la production. L'analyse de la coulée, également appelée analyse de la poche de coulée, est effectuée sur l'acier en fusion pendant ou immédiatement après la fusion et reflète la composition de la coulée dans son ensemble. L'analyse du produit est effectuée sur le produit fini laminé ou forgé. Les éléments pouvant se ségréguer lors de la solidification, l'analyse du produit peut différer légèrement de l'analyse de la coulée, et les normes applicables aux produits définissent l'écart admissible entre les deux. Ces deux analyses sont consignées sur le certificat d'essai des matériaux qui accompagne le produit.

Pour les ingénieurs chargés de contrôler les matériaux entrants, le certificat de composition constitue le document de référence. Sa vérification, élément par élément, par rapport au tableau de composition de la norme applicable, est une étape simple mais essentielle de la qualification des matériaux.

L'équivalent carbone : un outil pratique

Étant donné que plusieurs éléments d'alliage influencent le comportement de l'acier d'une manière qualitativement similaire à celle du carbone, un paramètre combiné appelé « équivalent carbone » (EC) est utilisé en ingénierie du soudage pour évaluer les besoins en préchauffage et le risque de fissuration induite par l'hydrogène. La version la plus couramment utilisée combine le carbone avec les contributions pondérées du manganèse, du chrome, du molybdène, du vanadium, du nickel et du cuivre. L’équivalent carbone est calculé directement à partir du certificat de composition et constitue l’une des utilisations pratiques les plus courantes des données de composition pour les ingénieurs impliqués dans la fabrication et la qualification des procédures de soudage.

Un acier présentant un faible CE peut généralement être soudé sans préchauffage lorsque les sections sont de taille modérée. À mesure que le CE augmente, le préchauffage devient nécessaire pour ralentir la vitesse de refroidissement dans la zone affectée thermiquement et réduire le risque de fissuration. Les températures de préchauffage spécifiques requises pour un CE et une épaisseur de section donnés sont définies dans les normes de soudage et constituent un sujet qui sera abordé dans les guides d’ingénierie Total Materia, où la métallurgie du soudage est traitée dans le contexte pratique du choix des nuances et de la planification de la fabrication.

Composition, propriétés et équivalence

La composition définit le potentiel d’un acier ; les traitements thermiques et mécaniques déterminent où se situe le produit fini au sein de ce potentiel. La
composition constitue également le principal critère permettant d’évaluer si deux nuances issues de normes nationales différentes sont véritablement équivalentes. La simple correspondance des noms entre une nuance ASTM et une nuance EN ne constitue pas un indicateur fiable d’une véritable équivalence ; seule une comparaison directe des limites de composition et des exigences en matière de propriétés mécaniques l’est.