De par ses propriétés, l’acier est sans doute le matériau d’ingénierie et de construction le plus important au monde. Son attrait réside dans une combinaison rare : il est à la fois résistant et malléable, durable et économique, et son comportement peut être adapté sur une très large gamme en modifiant sa composition et son mode de fabrication. Parmi les propriétés les plus précieuses de l'acier, on peut citer une excellente formabilité et une grande durabilité, une bonne résistance à la traction et à la limite d'élasticité, ainsi qu'une bonne conductivité thermique ; quant aux nuances d'acier inoxydable, leur propriété caractéristique est la résistance à la corrosion.
Les propriétés de l’acier sont généralement regroupées en quelques grandes catégories. Les propriétés mécaniques décrivent la manière dont l’acier réagit aux forces qui lui sont appliquées et comprennent la résistance, la ductilité, la dureté et la ténacité. Les propriétés physiques sont intrinsèques au matériau et comprennent la densité, la conductivité thermique et le module d’élasticité. Les propriétés technologiques, telles que la soudabilité, l'usinabilité et la formabilité, décrivent la facilité avec laquelle l'acier peut être transformé en une pièce finie. Ce texte se concentre sur les propriétés mécaniques et physiques qui déterminent le plus souvent le choix du matériau.
Lorsqu'ils choisissent un matériau pour une application donnée, les ingénieurs doivent avoir la certitude que celui-ci résistera aux conditions de charge et aux contraintes environnementales auxquelles il sera soumis en service. Il est donc essentiel de bien comprendre et de maîtriser les propriétés d'un matériau, car un acier sous-dimensionné peut présenter des défaillances en service, tandis qu'un acier surdimensionné entraîne des coûts et un poids superflus.
Ce qui rend l'acier si particulier, c'est la mesure dans laquelle ses propriétés mécaniques peuvent être modifiées. Une même composition de base peut être tendre et hautement malléable dans un état donné, et extrêmement dure et résistante dans un autre, selon le procédé de fabrication et le traitement thermique appliqués. Ces traitements agissent en modifiant la microstructure de l’acier, c’est-à-dire la disposition et la nature des phases internes telles que la ferrite, la perlite, la bainite et la martensite. L'augmentation de la teneur en carbone, par exemple, augmente la résistance et la dureté mais réduit la ductilité et la soudabilité, tandis que les traitements thermiques tels que le recuit, la trempe et le revenu redistribuent la microstructure pour favoriser soit la ténacité, soit la dureté. Ces variables étant interdépendantes, des essais doivent être réalisés pour confirmer les propriétés finales d’un acier et vérifier qu’il est conforme aux normes applicables.
Les différents essais permettent d'évaluer différentes propriétés mécaniques, et chacun d'entre eux fournit à l'ingénieur des informations précises sur le comportement d'un acier.
L'essai de traction permet d'évaluer la réponse structurelle de l'acier aux charges appliquées, les résultats étant représentés sous la forme d'une courbe contrainte-déformation. Cette courbe unique fournit plusieurs propriétés clés. La partie linéaire initiale correspond à la déformation élastique (réversible), et sa pente correspond au module de Young, une mesure de la rigidité. Le point à partir duquel le matériau commence à se déformer de manière permanente correspond à la limite d'élasticité, la valeur de calcul la plus couramment utilisée, car la plupart des composants ne doivent pas subir de déformation plastique en service. La contrainte maximale que l'acier peut supporter correspond à sa résistance à la traction ultime, tandis que l'allongement avant rupture, exprimé en pourcentage, indique sa ductilité.
Le rapport contrainte/déformation dans la zone élastique, appelé module d'Young, est l'une des propriétés les plus caractéristiques de l'acier. Pour l'acier, il se situe entre 190 et 210 GPa, soit environ trois fois la valeur de l'aluminium. Cette grande rigidité est l'une des principales raisons pour lesquelles l'acier est choisi pour les structures où la déformation doit être limitée ; il est à noter qu'elle varie très peu d'une nuance d'acier à l'autre, même si leur résistance peut varier considérablement.
La dureté mesure la résistance d'un acier à la déformation superficielle localisée ; elle est évaluée en enfonçant un pénétrateur dur dans la surface et en mesurant l'empreinte ainsi obtenue. Les échelles courantes, à savoir Brinell, Rockwell et Vickers, utilisent chacune un pénétrateur et une charge différents. La dureté présente souvent une corrélation utile avec la résistance à la traction et la résistance à l'usure, ce qui explique pourquoi elle constitue un contrôle de qualité rapide et très répandu.
La ténacité, en revanche, désigne l'énergie qu'un acier peut absorber avant de se rompre, notamment sous l'effet d'un choc soudain. Elle est généralement mesurée par des essais de choc, tels que l'essai de Charpy. La ténacité revêt une importance particulière car de nombreux aciers deviennent cassants à basse température, un phénomène connu sous le nom de transition ductile-cassante. Il est essentiel de bien comprendre cette transition pour les structures exploitées dans des environnements froids, où un acier normalement tenace pourrait céder soudainement.
De nombreux composants ne cèdent pas sous l'effet d'une seule charge importante, mais sous l'effet de charges cycliques répétées, plus faibles, au fil du temps, un processus appelé « fatigue ». L’acier se distingue par le fait que de nombreuses nuances présentent une limite de fatigue ou d’endurance, c’est-à-dire une contrainte en dessous de laquelle elles peuvent supporter un nombre pratiquement illimité de cycles de charge sans céder. Cette propriété est essentielle à la conception des arbres rotatifs, des essieux, des ressorts et d’autres composants soumis à des contraintes cycliques continues.
Les propriétés physiques de l'acier sont liées aux caractéristiques physiques fondamentales du matériau, notamment la densité, la conductivité thermique, le module d'élasticité et le coefficient de Poisson. Contrairement aux propriétés mécaniques, celles-ci sont en grande partie déterminées par la matrice en fer et ne varient que très peu d'une nuance à l'autre, ce qui fait des valeurs types indiquées ci-dessous des points de départ fiables pour les calculs de conception.
Les écarts plus importants observés au niveau de la conductivité thermique et de la dilatation thermique reflètent l'influence des alliages : les nuances fortement alliées, telles que les aciers inoxydables austénitiques, conduisent moins bien la chaleur et se dilatent davantage que les aciers au carbone simples, ce qui a des conséquences pratiques pour le soudage, le traitement thermique et les composants exposés à des variations de température.
Alors que la résistance mécanique et la rigidité sont les critères principaux dans le choix des aciers de construction, la résistance à la corrosion est la propriété déterminante des nuances d’acier inoxydable. Cette résistance provient d’une teneur minimale en chrome d’environ 10,5 %, qui réagit avec l’oxygène pour former une fine couche d’oxyde de chrome adhérente et auto-réparatrice, appelée « film passif ». Si la surface est rayée, ce film se reforme en présence d’oxygène, ce qui permet à l’acier inoxydable de se protéger tout au long de sa durée de vie. Des ajouts tels que le nickel et le molybdène améliorent encore la résistance dans des environnements spécifiques, ce qui explique pourquoi les aciers inoxydables sont prescrits pour des applications allant de l’agroalimentaire au secteur maritime et chimique.
Cet article traite des propriétés mécaniques et physiques qui déterminent les performances de l’acier en service. Les autres guides de la série « Acier » expliquent d’où proviennent ces propriétés et comment elles sont définies. Le guide « Composition de l’acier » explique comment les éléments chimiques présents dans l’acier déterminent ses propriétés potentielles, tandis que le guide « Nuances d’acier » montre comment les matériaux sont classés dans les familles que vous spécifiez et achetez. Les articles « Spécifications de l’acier » et « Normes de l’acier » traitent des documents et des cadres réglementaires qui fixent les limites en matière de propriétés et de composition, tandis que « Équivalences de l’acier » explique comment comparer les propriétés lors de la mise en correspondance de nuances entre différents systèmes. Ensemble, ces articles établissent un lien entre les performances, la composition, la classification et les normes qui les sous-tendent.
Les propriétés de l'acier sont généralement classées en trois catégories : les propriétés mécaniques (telles que la résistance, la dureté, la ductilité et la ténacité), les propriétés physiques (telles que la densité, la conductivité thermique et le module d'élasticité) et les propriétés technologiques (telles que la soudabilité, l'usinabilité et la formabilité).
La limite d'élasticité est la contrainte à laquelle l'acier commence à se déformer de manière permanente ; c'est la valeur la plus couramment utilisée en conception. La résistance à la traction maximale est la contrainte maximale que l'acier peut supporter avant de céder. Un essai de traction permet de mesurer ces deux paramètres, ainsi que la ductilité et la rigidité.
Le module de Young reflète la rigidité du réseau atomique du fer, qui n'est pas sensiblement modifiée par l'alliage ou le traitement thermique. Il se situe systématiquement entre 190 et 210 GPa pour pratiquement toutes les nuances d'acier technique. Cela signifie que le comportement à la déformation sous charge élastique est indépendant de la nuance, ce qui simplifie considérablement la conception des structures.
Leurs propriétés sont déterminées par leur composition chimique, leur procédé de fabrication et leur traitement thermique, qui, ensemble, définissent la microstructure finale. Par exemple, l'augmentation de la teneur en carbone accroît la résistance et la dureté, mais réduit la ductilité, tandis que les traitements thermiques tels que le recuit, la trempe et le revenu permettent d'ajuster l'équilibre entre dureté et ténacité.
L'acier inoxydable contient au moins environ 10,5 % de chrome, qui forme à sa surface un mince film passif d'oxyde de chrome capable de se régénérer. Ce film protège en permanence le métal sous-jacent, et des éléments tels que le nickel et le molybdène peuvent renforcer sa résistance dans des environnements plus agressifs.