Acier : définition et propriétés

Ce que la norme appelle un acier, et pourquoi la limite est à 2 %

La norme EN 10020 définit l'acier comme un matériau contenant en masse plus de fer que tout autre élément, dont la teneur en carbone est généralement inférieure à 2 % et qui contient d'autres éléments. Au-delà de ce seuil, on parle de fonte. La frontière n'a rien d'administratif, elle correspond à la solubilité maximale du carbone dans le fer gamma, environ 2,1 % à 1 147 °C. En dessous, l'alliage peut être entièrement mis en solution puis transformé par traitement thermique. Au-dessus, du carbone reste sous forme de carbures ou de graphite, et le métal perd sa capacité à se déformer à chaud.

Cette nuance de composition change tout à l'usage. Un acier se forge, se lamine, s'étire, se soude et se trempe. Une fonte se coule, un point c'est tout. Ce partage est simple et il commande à lui seul le choix d'un procédé de fabrication. Le carbone joue le rôle principal dans cette affaire, et sa proportion suffit à classer les nuances. En dessous de 0,25 %, l'acier est doux, très ductile et parfaitement soudable, c'est celui qui est utilisé pour les tubes, les barres de construction et la tôle d'emboutissage, laminée puis mise en forme rapidement sur presse. Entre 0,25 et 0,60 %, il devient un acier mi-dur qu'on emploie pour les pièces mécaniques traitées. Au-delà, l'acier dur est employé afin de fabriquer des outils, des ressorts et des roulements, et il devient délicat à souder.

Deux filières d'élaboration, deux économies différentes

L'acier ne s'obtient pas d'une seule manière, et le choix de la voie de production pèse davantage sur le prix et sur l'empreinte carbone que la nuance elle-même.

• La filière fonte part du minerai de fer. Le haut fourneau réduit le minerai par le coke et donne une fonte liquide à plus de 4 % de carbone, que le convertisseur à oxygène décarbure ensuite par soufflage. Cette voie fournit les nuances les plus propres, avec un contrôle fin des résiduels, et reste incontournable pour les tôles minces d'emboutissage.
• La filière électrique repart de la ferraille. Le four à arc refond des produits de collecte, avec une consommation d'énergie et des émissions bien inférieures, mais elle hérite des éléments résiduels du gisement, cuivre et étain en tête, que rien ne permet d'éliminer. Elle domine sur les barres à béton et les profilés, et son coût la rend difficile à écarter sur un projet de bâtiment courant.

Dans les deux cas, le métal fondu passe ensuite en métallurgie secondaire, étape où se jouent la désoxydation, la désulfuration, le dégazage et l'ajustement final de l'analyse. Ces opérations sont décrites dans métallurgie secondaire, outils et procédés. Pour les pièces moulées, l'élaboration suit un chemin propre, exposé dans élaboration de l'acier moulé, fours de fusion et élaboration de l'acier moulé, analyse des processus métallurgiques.

Vient enfin la mise en forme, à chaud puis à froid, entrecoupée de recuits qui restaurent la ductilité perdue par écrouissage. Le recuit continu sur ligne, traité dans recuit continu, a remplacé le recuit en base sur la plupart des tôles minces, parce qu'il donne des propriétés homogènes bobine après bobine et se prête au revêtement en ligne.

Les grands types d'acier et la manière de les désigner

Quelles familles retenir pour s'y retrouver ? La classification normative en distingue trois, et ce découpage suffit à couvrir la quasi-totalité des différents emplois industriels. C'est la lecture des types d'acier la plus utilisée en bureau d'études.

• Les aciers non alliés, où aucun élément d'addition ne dépasse un seuil fixé par la norme. Ce sont les aciers de construction et les aciers au carbone pour traitement thermique, produits en grande série plutôt que sur mesure.
• Les aciers faiblement alliés, avec moins de 5 % d'éléments d'addition. Le chrome, le molybdène, le nickel et le vanadium y améliorent la trempabilité, la tenue à chaud ou la ténacité. Un acier allié de cette famille se reconnaît à sa désignation chiffrée du type 42CrMo4.
• Les aciers fortement alliés, au-delà de 5 %, dont l'acier inox est le représentant le plus connu. Ce n'est pas le seul, les aciers rapides pour outils de coupe et les aciers réfractaires en font aussi partie.

L'acier inoxydable mérite qu'on s'y arrête, parce que son nom entretient une illusion. Le chrome, à partir de 10,5 %, forme en surface une couche d'oxyde passivante de quelques nanomètres qui bloque l'oxydation, exactement comme l'alumine sur l'aluminium. Retirez l'oxygène, par exemple sous un dépôt encrassé ou dans une crevasse, et la couche ne se régénère plus. L'inox se corrode alors très vite et de façon localisée. Les nuances austénitiques 304 et 316 ajoutent du nickel pour stabiliser la structure et, pour la seconde, du molybdène contre les chlorures.

Les règles de désignation sont normalisées et permettent de lire la composition dans le nom de la nuance, ce que détaille désignation normalisée des aciers. Pour la construction métallique, où la désignation part de la limite d'élasticité garantie plutôt que de l'analyse, le repère est aciers de construction métallique, normalisation et désignations. Un S355 annonce ainsi 355 MPa, sans rien dire de sa composition.

Traitements, revêtements et emplois

Aucune autre famille de matériaux n'offre une telle amplitude de propriétés à composition presque constante. Un acier à 0,45 % de carbone passe de 600 à 1 800 MPa selon qu'il sort laminé ou trempé puis revenu, sans qu'un seul élément d'addition ait changé. Le traitement thermique agit sur la structure, pas sur l'analyse, et c'est ce qui rend la matière aussi résistante et aussi versatile. Les gammes appliquées aux outillages sont exposées dans traitements thermiques dans la masse des aciers à outils, et leur complément de surface dans traitements superficiels des aciers à outils.

Le revêtement répond à un autre besoin, la protection contre la corrosion des nuances qui n'ont pas de chrome. L'acier galvanisé porte une couche de zinc qui le protège doublement, par effet barrière et par protection cathodique, le zinc se sacrifiant à la place du fer aux endroits où la couche est entaillée. La durée de vie est fonction de l'épaisseur déposée et de l'agressivité de l'atmosphère, et se prévoit à l'aide des classes de corrosivité de la norme ISO 9223.

Côté emploi, la construction absorbe la plus grosse part, en charpente, en couches de couverture et en armature de béton. Les solutions d'enveloppe sont traitées dans les aciers dans les enveloppes des bâtiments, et le cas particulier de l'armature noyée, avec les désordres que provoque sa corrosion, dans pathologies du béton armé. La mécanique vient ensuite, avec ses diverses exigences de soudabilité détaillées dans pièces mécaniques soudées, caractéristiques des nuances. La plasturgie, enfin, demande des aciers d'outillage très spécifiques, y compris pour de petites empreintes, dont le choix est raisonné dans moules pour l'injection des thermoplastiques, choix des aciers.