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Matériau (historique)
Au commencement était le fer...

Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte
terrestre (5% pratiquement illimité)

On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres
éléments, sous forme de minerai.

En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C.
Matériau (historique)
élaboration du fer
Elle se fait en deux étapes:

chauffage de couches alternées de minerai et de bois (ou de
charbon de bois) jusqu'à obtention d’une masse de métal
pâteuse.

Martelage à chaud pour la débarrasser de ses impuretés et
obtenir ainsi du fer brut.
Remarque: On fabriqua aussi dès le début, une petite quantité d'acier, à
savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur
et plus résistant
Matériau (historique)
Puis vint la fonte...


Au XVème siècle, les premiers "hauts fourneaux"
Production d’un métal ferreux à l'état liquide, la fonte,
 fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons,
chenets, tuyau).

production du fer en abondance par affinage

le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l'air soufflé,
combustion du carbone contenu dans la fonte et écoulement du
fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut.) :
Matériau (historique)
..Et enfin l'acier

En 1786,
 définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier
 le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de
ces trois matériaux.

Au XIXème siècle, Inventions des fours Bessemer, Thomas et
Martin
 acier en grande quantité à partir du fer
 le métal-roi de la révolution industrielle.

En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment
l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications.
Matériau (historique)
L'acier, métal pluriel




L'acier, c'est du fer additionné de carbone, (taux de ≈ % à 2%).
Le dosage en carbone influe sur les caractéristiques du métal.
On distingue 2 grandes familles d'acier :
 les aciers alliés
 les aciers non alliés. ( éléments chimiques autres que le
carbone).
exemple : 17% de chrome + 8% de Nickel (acier inoxydable).
il n'y a pas un acier mais des aciers.
(plus de 3 000 nuances)
LES MATIERES PREMIERES
Du minerai de fer à l'acier


le minerai de fer seul n'est pas suffisant.
cinq matières premières principales
Le minerai de fer,
 La ferraille,
 Le coke métallurgique,
 Les fondants,
 L’oxygène,

OPERATION SIDERURGIQUES
On distingue trois opérations fondamentales :
 L’élaboration;
 La
coulée;
 La mise en forme.
ELABORATION DE L’ACIER
Il existe deux modes de fabrication de l'acier
selon que celui-ci est produit à partir du minerai de
fer ou provient du recyclage des ferrailles :
Filière fonte ;
 Filière électrique

ELABORATION DE L’ACIER :
Filière Fonte
Haut fourneau
Préparation
minerai &coke
Convertisseur à
l’Oxygéné
ELABORATION DE L’ACIER
FILIERE FONTE

la fonte (% C = 2÷4) produite est dirigée vers un
appareil appelé convertisseur.
ELABORATION DE L’ACIER
FILIERE ELECTRIQUE


la filière électrique:

La filière électrique c’est l'élaboration de l'acier sans
passer par la fonte;

La matière première est constituée par de la ferraille;
On fait appel aux fours électriques
La Coulée
On distingue:
 La
coulée en lingotières;
 La coulée continue.
Mise en forme

Il s’agit, en général d’obtenir à partir de l'acier se
présentant sous forme de :




des produits finis sous forme de:




brames,
Lingots,
blooms, billettes, ronds.
tiges, tuyaux,
rails de chemins de fer, pièces en T,
poutrelles, etc.
Par une opération de laminage
Les différents types d’acier

L'acier est un alliage de fer contenant moins de 2
% de carbone. Il peut être répertorié selon cette
teneur en carbone;
haute teneur en carbone sera employé pour sa
grande dureté,
 acier à teneur faible permettra un travail plus facile,
sera plus malléable.

Les différents types d’acier

Les aciers ordinaires ou aciers au carbone non
alliés:
aciers standard improprement appelés aciers au carbone.

Les aciers alliés ou aciers spéciaux


Ils contiennent des éléments ou composants en plus du
carbone
On distingue les aciers:



fortement alliés;
faiblement alliés
Quelques caractéristiques
Désignation des fontes
et des aciers

Fonte
Acier ordinaire;
Acier faiblement allié;
Acier fortement allié.

Les applications



ESSAIS MECANIQUES
expériences dont le but est de caractériser les lois
de comportements des matériaux.
Parmi ces essais normalisés, les plus classiques
sont :
L’essai de dureté ;
 L’essai de traction ;
 L’essai de résilience ;
 L’essai de fatigue ;
 L’essai de fluage.


Fin du diaporama
Haut Fourneau
XVème siècle
Hauteur de 4 à 6m
Fours Bessemer, Thomas et Martin
XIXème siècle
Minerai de fer

les minerais oxydés,


les carbonates,


Sidérite (FeCO3)
les minerais sulfurés


Magnétite (FE3O4); Hématite FE2O3); Limonite (HFeO2) ;
L’ilménite (FeTiO3)
chamosite, stilpnomelane,
les silicates
 pyrite (FeS2)
La ferraille


récupération à partir des industries de
transformation et des industries sidérurgiques,
collecte de biens d’équipement et de
consommation hors d’usage.
La ferraille est surtout utilisée dans les aciéries électriques
Le coke métallurgique

combustible obtenu à partir de la houille

Il remplit trois rôles principaux dans le haut-fourneau :
il favorise la circulation des gaz montants (rôle
perméabilisant),
 fournit la chaleur nécessaire à la poursuite de la
réaction,
 assure la réduction et la carburation du fer.

Le coke métallurgique

Préparé dans des cokeries





calibre homogène,
Léger,
mécaniquement résistant;
Bonne perméabilité;
teneur en soufre faible.
Les fondants

L’utilité des fondants est double :

Première fonction: rendre les minéraux de la
gangue plus facilement fusibles;

Seconde fonction: former avec les impuretés
contenues dans le minerai des combinaisons qui
permettent de les éliminer.
les fondants
Les fondants sont ajoutés afin de permettre
d’éliminer la gangue sous forme de laitier fusible.
L’oxygène



L’oxygène est principalement utilisé pour
l’élaboration de l’acier.
Des centrales à oxygène permettent de le
produire à partir d’air liquide.
Elles produisent en général de l’oxygène à 40
bars et alimente l’aciérie sous une pression de 15
bars.
L’élaboration :

Série de processus métallurgiques dont le dernier au
moins a lieu en phase liquide et qui est destiné à
aboutir à une nuance d’acier désirée ;
La coulée

passage de l’acier de l’état liquide à l’état solide ;
La mise en forme :

D’une manière générale, laminage (déformation
plastique à chaud ou à froid) conduisant à des
produits:
plats (tôles)
 ou longs (profilés, barres, etc.).

Élaboration de l’acier
Electrique
Fonte
Préparation


concassage, criblage, agglomération ou bouletage
(minerais)
couches alternées coke et minerai
Haut fourneau

Réacteur à lit consommable à contre courant

extraire le fer contenu dans les minerais (oxydes de
fer: Fe2O3, FeO, Fe3O4);

appareil de réduction où l'on met en contact:
les oxydes de fer
 et des agents réducteurs ;

Haut fourneau

température des gaz supérieure à 2 000 °C;
très réducteur

les matières s’échauffent progressivement
par le gaz; oxydes, métal primaire et gangue
entrent en fusion.

écoulement liquide au travers du coke ; la
réduction des oxydes de fer s'achève ;

la fonte et le laitier se constituent.

Évacuation périodique par le trou de coulée
Haut fourneau

Le laitier


débouché dans le secteur du
bâtiment et des travaux
publics comme revêtement
routier
La fonte (% C = 2÷4) :



moulage direct,
Deuxième fusion pour des
caractéristiques particulières
Acier par affinage.
ELABORATION DE L’ACIER
FILIERE FONTE
ELABORATION DE L’ACIER
FILIERE FONTE
ELABORATION DE L’ACIER
FILIERE FONTE

Principe :


On insuffle de l'air dans le convertisseur
L'oxygène de l'air permet :




la combustion (1600°C) des impuretés contenues dans le métal brut,
l'élimination d'une partie du carbone par oxydation.
La transformation de la fonte en acier est ainsi opérée.
L'acier (% C < 1,8) est obtenu:



en décarburant la fonte,
en éliminant le plus possible le soufre et le phosphore
en modifiant la teneur des autres éléments (Si, Mn).
Four électrique
Four électrique




Le four électrique permet d'effectuer un affinage très
poussé.
Le chauffage est assuré par un arc électrique jaillissant
entre des électrodes de carbone et les matières placées
dans le four.
Après fusion, on effectue l'affinage par l'intermédiaire
de plusieurs laitiers.
On procède lors de la phase finale aux adjonctions
nécessaires à l'obtention du type d'acier désiré
La coulée en lingotières
La coulée en lingotières



Les lingotières sont en fonte et
peuvent avoir des formes et sections
variables),
Le poids du lingot varie, en général,
de 6 à 8 tonnes.
L'extraction des lingots solidifiés est
facilitée par:


l'inclinaison donnée aux parois,
La lubrification des parois intérieures
(goudron et d'aluminium en poudre).
La coulée continue

l'acier est coulé dans une
lingotière spéciale appelée
Coulée Continue.

solidification de l'acier sous
forme d'une longue bande
ininterrompue

Découpage au chalumeaux de
façon à donner des brames.
parallélépipède d'acier:
- (10x1.5x0.2) m3
- 5 tonnes
Laminage

Modification des lingots par
des opérations successives de
laminage.
laminage

Rouleaux de laminoirs rainurés pour
formes particulières:



rails de chemins de fer;
Poutrelles;
etc.
laminage

Train de laminoirs


laminoir dégrossisseur.
laminoirs de finissage qui
réduisent à une section
correcte.
laminage
Aciers ordinaires
Nuance
Pourcentage
de carbone
(C)
Charge de
rupture en hbar Emplois
(P) état recuit
extra
doux
C < 0,15
33< P <42
tôles pour carrosserie, feuillards, quincaillerie,
pièces de forge
doux
0,15 <C 0,20
37< P <46
charpente métallique, profilés, construction
mécanique courante, boulons, fils ordinaires
demi
doux
0,20 <C< 0,30 48< P <55
pièces de machines pour applications
mécaniques, pièces ou bâtis moulés, pièces
forgées
demi
dur
0,30 <C< 0,40 55< P < 65
petit outillage, éléments de machines agricoles,
organes de transmission
dur
0,40 <C< 0,60 65< P < 75
pièces d'outillage, d'armement, glissières, rails et
bandages, ressorts, coutellerie, pièces moulées
et traitées
extra
dur
0,60 < C
outils d'usinage et découpe, câbles, ressorts
75 < P
Composants d’addition

Ils possèdent des caractéristiques spécifiques
selon le ou les composant(s) qui sont ajoutés :
Nickel;
 Chrome;
 Manganèse;
 Étain;
 Autres.

Acier fortement allié

Un des éléments représente plus de 5%
Acier faiblement allié

Aucun éléments ou composants ne dépasse 5%
Les aciers alliés

Les aciers au nickel (2 à 40%) :


Les aciers au chrome (1 à 25%) :





Trempe et résistance à la corrosion
résistance à la rupture à 4% de chrome, l'alliage peut être
utilisé comme aciers à outils ou à roulements.
Si l'acier contient entre 10% et 20% de chrome, il devient
inoxydable aux agents corrosifs et aux oxydants industriels.
Les aciers au manganèse : bonne résistance à l'usure
Les aciers à l'étain "fer blanc" : grande résistance à la
corrosion, non-toxicité et apparence plaisante
Autres aciers

Aciers au silicium pour les ressorts; aciers au tungstène fabrication
des aimants
DESIGNATION DES FONTES ET
DES ACIERS
Fontes À Graphite Lamellaire
EN-GJL-300
Préfixe
Symbole
Valeur de la résistance
minimale à la rupture
DESIGNATION DES FONTES ET
DES ACIERS
Fontes À Graphite Sphéroïdal
EN-GJS-300-22
Pourcentage de
l’allongement après
la rupture
Préfixe
Symbole
Valeur de la
résistance minimale
à la rupture
DESIGNATION DES FONTES ET
DES ACIERS
Fontes Malléables
EN-GJM-350-4
Pourcentage de
l’allongement après
la rupture
Préfixe
Symbole
Valeur de la
résistance minimale
à la rupture
GJMW : à cœur blanc
GJMB : à coeur noir
DESIGNATION DES FONTES ET
DES ACIERS
Aciers d’usage courant
S 235
Symbole pour
aciers d’usage
général
Valeur
minimale de la
limite élastique
en MPa
E 295
Symbole pour
aciers de
construction ;
GE 295 pour
un acier
moulé
Valeur
minimale de la
limite élastique
en MPa
DESIGNATION DES FONTES ET
DES ACIERS
Aciers non alliés
Teneur en manganèse <1%
C 40
Symbole acier non allié
La désignation est
précédée de la lettre G
pour un acier moulé
Pourcentage de la teneur moyenne en
carbone multipliée par 100, soit 0,4%
de carbone
Aciers faiblement alliés
DESIGNATION
DES FONTES
ET DES ACIERS
Teneur en manganèse <1%
Teneur de chaque élément d’alliage <5%
25 Cr Mo 10 - 20
Une suite de nombres rangés dans le
même ordre que les éléments d’alliages,
et indiquant le % de la teneur moyenne
de chaque élément. Les teneurs sont
multipliées par un coefficient variable en
fonction des éléments d’alliage
Pourcentage de la
teneur moyenne en
carbone multipliée par
100, soit 0,25%
Un ou plusieurs groupes de lettre
qui sont les symboles des éléments
d’addition rangés dans l’ordre des
teneurs décroissantes, ici, Chrome
(Cr) et Molybdène (Mo)
Coefficient multiplicateur
Elément d’alliage
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
Al, Be, Cu, Mo, Pb,Ta, Ti, V, Zr
Ce, N ,P, S
B
Coef.
4
10
100
1000
DESIGNATION DES FONTES ET
DES ACIERS
Aciers fortement alliés
Teneur d’au moins un élément d’alliage ≥5%
X 5 Cr Ni 18 - 10
Symbole acier
fortement allié
0,05% de
carbone
Eléments
d’addition
Pourcentage réel
de la teneur ; 18%
Cr et 10% Ni
LES APPLICATIONS

Dans la construction (1er utilisateur):
ouvrages d’art, béton armé…

Dans l'automobile (2éme utilisateur):
55% à 70% du poids d'un véhicule

Industrie alimentaire (emballages, ustensiles de
cuisine...):
Fer blanc, inox.

Autres secteurs d'utilisation:
Le secteur de l'informatique et de la téléphonie. le domaine
de l'aérospatiale, les satellites
ESSAIS MECANIQUES
Suivant principalement la forme du pénétrateur,
on définit:
dureté Brinell;
 dureté Vickers ;
 dureté Rockwell .
 Comparaison entre les méthodes

ESSAIS MECANIQUES L’essai de dureté
Brinell

bille en acier ou en carbure de
tungstène, maintenue pendant un
temps bien défini et avec une
force bien déterminée.
la dureté Brinell:
HB
ESSAIS MECANIQUES
L’essai de dureté Vickers

La mesure de dureté Vickers
se fait avec une pointe
pyramidale normalisée en
diamant de base carrée et
d'angle au sommet entre
face égal à 136°.

HV : dureté Vickers
ESSAIS MECANIQUES: L’essai de dureté Rockwell

On mesure une pénétration
rémanente du pénétrateur sur
lequel on applique une faible
charge.


cône en diamant;
bille en acier trempé polie
L’essai de dureté Rockwell se déroule ainsi en trois phases :
HRB , HRC
ESSAIS MECANIQUES
L’essai de dureté Rockwell

La valeur de dureté est alors
donnée par la formule suivante :
Échelle B, E et F

Échelle C



La valeur de r étant l'enfoncement
rémanent obtenu en appliquant puis en
relâchant la force F1.
Une unité de dureté Rockwell
correspondant à une pénétration de
0,002 mm.
ESSAIS MECANIQUES
Comparaison entre les méthodes
Type
d'essai
Brinell
Préparation de la pièce
La surface de la pièce ne nécessite
pas une préparation extrêmement
soignée (tournage ou meulage)
Rockwell
Bonne préparation de surface (au
papier de verre OO par exemple).
La présence de rayures donne des
valeurs sous estimées.
Vickers
État de surface très soigné (on
obtient de petites empreintes, la
présence d'irrégularité gène la
lecture).
Utilisation
principale
Commentaire
En atelier
La méthode ayant la mise en œuvre la plus facile
des trois méthodes.
En atelier
L'essai est simple et rapide
Convient bien pour des duretés plus élevées
(supérieures à 400 Brinell). Elle est plutôt utilisée
pour les petites pièces (il est nécessaire que la
pièce soit parfaitement stable)
La dureté Rockwell présente l'inconvénient
d'avoir une dispersion relativement importante.
En
laboratoire
C'est un essai assez polyvalent qui convient aux
matériaux tendres ou très durs.
Il est utilisé généralement pour des pièces de
petites dimensions. La lecture des longueurs de
diagonale est généralement lente.
ESSAIS MECANIQUES: Essai de traction

le plus utilisé pour caractériser les propriétés
mécaniques des matériaux ductiles; il permet de
tracer une courbe de traction
ESSAIS MECANIQUES: Essai de traction
contrainte vraie
σ = F/S’
S : section initiale
Contrainte nominale
σ = F/S
S’ : section vraie
Essai de traction

contrainte maximale avant rupture: σrs

limite apparente d'élasticité:

Le Module de Young :

Coefficient de Poisson:
σe
ESSAIS MECANIQUES: Essai de traction

Matériau fragile:
Limite de rupture
en traction
Limite de rupture
en compression
ESSAIS MECANIQUES: Essai résilience

En mécanique, la résilience est l'énergie nécessaire
pour produire la rupture d'un échantillon entaillé
section droite de l'entaille (appelé éprouvette).

L'essai de résilience se fait sur une machine du nom de
Mouton de Charpy :

Elle se mesure par la différence d'énergie potentielle
entre le départ du pendule et la fin de l'essai:
Eprouvette
Mouton de Charpy
ESSAIS MECANIQUES
Essai résilience

L'énergie absorbée est obtenue en comparant la
différence d'énergie potentielle entre le départ du
pendule et la fin de l'essai. L'énergie obtenue (en
négligeant les frottements) est égale à :




m : masse du mouton pendule
g : accélération de la pesanteur (environ 9.81 m.s-2)
h : hauteur du mouton pendule à sa position de départ
h' : hauteur du mouton pendule à sa position d'arrivée
ESSAIS MECANIQUES: Essai de fatigue

Déroulement de l’essai

L’éprouvette d’essai est soumise:
à une charge moyenne donnée (qui peut être égale à zéro)
 et à une charge alternée donnée
 et on note le nombre de cycles nécessaires pour
provoquer la défaillance (rupture par fatigue).
 Généralement, on effectue plusieurs essais avec des
charges variables différentes sur des éprouvettes
identiques.

Essai de fatigue

Les résultats des essais de fatigue sont souvent
présentés sous la forme d’un diagramme σ-N
(ou de Wöhler) qui représente:

le nombre de cycles nécessaires pour amener la
défaillance de l’éprouvette
ESSAIS MECANIQUES
Essai de fatigue
Contraintes cycliques & Diagramme d’endurance (de Wöhler)
ESSAIS MECANIQUES
Essai de fluage

Déformation lente d’un matériau qui se produit
sous l’effet d’une contrainte constante à
température constante.
Métaux: fluage haute température.
 Matières plastiques: fluage à température ambiante
appelé « fluage à froid » ou « déformation sous charge ».

ESSAIS MECANIQUES
Essai de fluage

le matériau est soumis à une
charge constante de traction ou
de compression sur une durée
prolongée et à température
constante.

La déformation est enregistrée
selon une périodicité donnée

La rupture, si elle intervient,
termine l’essai et l’instant de la
rupture est enregistré.
ESSAIS MECANIQUES
Essai de fluage



première étape, ou fluage primaire,
commence à vitesse rapide et ralentit
avec le temps ; la vitesse de fluage
diminue avec le temps, ce qui
correspond à une augmentation de la
résistance du matériau, ou encore à
une consolidation ;
deuxième étape (fluage secondaire)
s’effectue à vitesse relativement
constante.
troisième étape (fluage tertiaire)
présente une accélération et s’achève
avec la défaillance du matériau à
l’instant de rupture.