L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008% à environ 2,14% en masse).


Aperçu de la composition, des avantages et des inconvénients

La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l'acier : en dessous de 0,008%, l'alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2,14%, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte. Entre ces deux valeurs, l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ; on parle d'aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » (classification traditionnelle).

On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d'autres éléments, principalement métalliques, et on parle d'aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d'aciers traités.

Outre ces diverses potentialités, et comparativement aux autres alliages métalliques, l'intérêt majeur des aciers réside d'une part dans le cumul de valeurs élevées dans les propriétés mécaniques fondamentales :

résistance aux efforts : module d'élasticité, limite élastique, résistance mécanique ;
dureté ;
résistance aux chocs (résilience).
D'autre part, leur coût d'élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5% de l'écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclables grâce à la filière ferraille.

On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion, mais à laquelle on peut remédier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l'addition d'éléments réalisant des nuances dites « inoxydables ». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables, donc peu recommandés pour les pièces volumineuses de formes complexes (bâtis de machines, par exemple). On leur préfère alors des fontes. Enfin, lorsque leur masse volumique est pénalisante (dans secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d'aluminium, composites, etc.), mais parfois beaucoup plus chers.

De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d'application technique : équipements publics (rails, signalisation), industrie chimique, pharmaceutique et nucléaire (cuves, réacteurs, tuyauteries), agro-alimentaire (conditionnement et stockage), bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), moyens de transport (automobile, aéronautique, ferroviaire, aérospatial), médical (instruments et appareils), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette). Les aciers sont aussi très présents dans des produits destinés au grand public (meubles, ustensiles de cuisine,électroménager) : cette liste est loin d'être exhaustive.


Histoire de l'acier

Fabrication d'acier au Moyen Âge dans un bas-fourneau.
Les Hittites sont considérés comme les inventeurs de l'acier. En effet, ce fut le premier peuple à utiliser le fer en remplacement du cuivre ou bronze pour fabriquer des armes (épées, boucliers)2.

Depuis l'Âge du fer, on utilisait les bas fourneaux pour produire des massiots composés de fer et d'acier, qui devait ensuite être travaillé à la main par les forgerons.

On considère souvent Réaumur comme le fondateur de la sidérurgie scientifique moderne. Il réalise de très nombreuses expériences afin d’améliorer la fabrication de l’acier et publie le résultat de ses observations en 1712.

L'acier est apparu par l’évolution de la métallurgie, vers 1786. Cette année-là, trois savants français, Berthollet, Gaspard Monge et Vandermonde, caractérisèrent trois types de produits obtenus à partir de la coulée des hauts-fourneaux : le fer, la fonte et l'acier. L'acier était alors obtenu à partir du fer, lui-même produit par affinage de la fonte issue du haut-fourneau. L’acier était plus dur que le fer et moins fragile que la fonte.

Au xixe siècle sont apparues des méthodes de fabrication directe de conversion de la fonte, avec les convertisseur Bessemer en 1856 (Henry Bessemer) le procédé Thomas-Gilchrist en 1877 (Sidney Gilchrist Thomas et Percy Carlyle Gilchrist de déphosphoration de la fonte et Siemens-Martin. Ces découvertes, permettant la fabrication en masse d'un acier de « qualité » (pour l'époque), participent à la Révolution industrielle. Enfin, vers la seconde moitié du xixe siècle, Dmitry Chernov découvre les transformations polymorphes de l’acier et établit le diagramme binaire fer/carbone, faisant passer la métallurgie de l’état d’artisanat à celui de science.


Fabrication de l'acier
Composition des aciers

On distingue plusieurs types d'aciers selon le pourcentage de carbone qu'ils contiennent :

les aciers hypoeutectoïdes (de 0,0101 à 0,77% de carbone) qui sont les plus mous ;
les aciers eutectoïdes (0,77% de carbone) ;
les aciers hypereutectoïdes (de 0,77 à 2,11% de carbone) qui sont les plus durs.
La structure cristalline des aciers à l'équilibre thermodynamique dépend de leur concentration (essentiellement en carbone mais aussi d'autres éléments d'alliage), et de la température. On peut aussi avoir des structures hors équilibre (par exemple dans le cas d'une trempe).

La structure du fer pur dépend de la température :

en dessous de 721°C et au-dessus de 1 400°C le fer (fer α) a une structure cristalline cubique à corps centré (structure cristalline à température ambiante) ;
entre 721°C et 950°C jusqu'à 1 400°C le fer (fer γ) a une structure cristalline cubique à faces centrées.

Diagramme de phase fer-cémentite, permettant de visualiser les conditions d'existence des formes d'acier
Les aciers non alliés (au carbone) peuvent contenir jusqu'à 2,11% en masse de carbone. Certains aciers alliés peuvent contenir plus de carbone par l'ajout d'éléments dits « gammagènes ».

Le carbone provient du procédé de réduction du minerai, qui se fait avec du coke 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...


Les différentes phases de l'acier
Austénite Bainite Cémentite Ferrite Martensite Perlite

Différentes « familles » d'aciers

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 8% de nickel et 18% de chrome en masse).


Différentes classifications
Anciennes normes françaises
En France, les aciers ont d'abord été classés selon leur ductilité : acier extra doux, doux (Adx), demi-doux, demi-dur…

Puis, on les a classé selon leur résistance à la rupture, Rmax, exprimée en daN/mm²3 (soit 107 Pa), sous la dénomination « A Rmax » (par exemple, l'acier « A 33 » avait une résistance à la rupture de 33 daN/mm², 330 MPa).

Puis, on les a classé selon leur limite élastique Re, sous la dénomination « E Re » (par exemple, l'acier « E 24 » avait une limite élastique de 24 daN/mm², 240 MPa). On peut établir les équivalences suivantes entre les deux normes :

Équivalences entre les normes « A » et « E »
Norme E    Norme A
E 24    A 37
E 26    A 42
E 30    A 48
E 36    A 52
À l'époque, la principale préoccupation était donc mécanique. On a créé d'autres normes selon les domaines. Par exemple, pour les tubes, on parlait d'acier « Tu 37 a » (« Tu » pour tube, « 37 » est le module à la rupture en daN/mm², « a » indique la pureté).

Au fur et à mesure, la composition de l'acier, l'alliage, est devenu de plus en plus important. On a donc abandonné les propriétés mécaniques pour indiquer la teneur en différents éléments. Pour les aciers non alliés, on distinguait la série CC de la série XC ; cette dernière avait un contrôle plus important sur la composition, et notamment une teneur en soufre et en phosphore (éléments fragilisants) plus basse. On indiquait la teneur en carbone en pourcentage massique multiplié par 100 :

Série CC :
CC 10 : teneur moyenne en carbone de 0,10% ;
CC 20 : teneur moyenne en carbone de 0,20% ;
CC 35 : teneur moyenne en carbone de 0,35%.
Série XC
XC 10 : teneur moyenne en carbone de 0,09% ;
XC 12 : teneur moyenne en carbone de 0,13% ;
XC 18 : teneur moyenne en carbone de 0,19% ;
XC 25 : teneur moyenne en carbone de 0,26% ;
XC 32 : teneur moyenne en carbone de 0,32% ;
XC 38 : teneur moyenne en carbone de 0,38%.
Pour les aciers faiblement alliés, on indiquait la teneur en carbone comme ci-dessous, puis la liste des éléments d'alliage par ordre de teneur décroissante, suivi d'un coefficient de teneur pour l'élément le plus concentré, la teneur étant obtenue en divisant le coefficient par un facteur de 4 ou 10 selon les éléments.

Les aciers fortement alliés commençaient par « Z », suivi de la teneur en carbone (comme ci-dessus), et de la liste des éléments avec leur teneur — sans facteur multiplicatif. par exemple, l'acier Z 6 CN 18-09 contient environ 0,06% de C, environ 18% de Cr et 9% de Ni.


Anciennes normes des États-Unis
Exemple de dénominations :

ASTM A53 et A 106 : Grade A — Grade B — Grade C ;
ASTM A 333 : Grade 1 — Grade 6 ;
API 5 A : H 40 — J 55 — K 55 — N 80 ;
API 5 L : Grade A — Grade B ;
API 5 LX : X 42 — X 46 — X 52 — X 56 — X 60 — X 65 — X 70 ;
API 5 AX : P 105 — P 110 — S 135.

Anciennes normes allemandes
Exemple de dénominations :

DIN 1629 : St 35 — St 45 — St 52 ;
DIN 17-175 : St 35-8 — St 45-8 ;
DIN 17-172 : USt 34-7 — RSt 34-7 — USt 38-7 — RRSt 38-7.

Aciers non alliés
Aciers spéciaux (type C)

Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à des usages définis à l'avance.

Leurs applications courantes sont les forets (perceuses), ressorts, arbres de transmission, matrices (moules), …


Aciers inoxydables
 
L'acier inoxydable est une des trois grandes familles d'aciers qui présente une grande résistance à la corrosion, à l'oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). C'est un acier allié au nickel et au chrome. Ses applications sont multiples: chimie, nucléaire, mais aussi couteaux et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5% de chrome et moins de 1,2% de carbone.


Autres aciers alliés
Aciers faiblement alliés

Aucun élément d'addition ne dépassant 5% en masse, ils sont utilisés pour des applications nécessitant une haute résistance.

Un exemple de désignation normalisée: 35 NiCrMo16. Le premier chiffre (35) représente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Ni, Cr et Mo) et leurs pourcentages respectifs multipliés par un coefficent dépendant de sa nature définie par le tableau dessous.

Élément d'addition    coefficient
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W    4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr    10
Ce, N, P, S    100
B    1 000

Aciers fortement alliés

Au moins un élément d'addition dépasse les 5% en masse, destinés à des usages bien spécifiques, on y trouve des aciers à outils, réfractaires, Maraging (très haute résistance, utilisés dans l'aéronautique), Hadfields (très grande résistance à l'usure), à roulements.

Un exemple de désignation normalisée: X2CrNi18-9 où X est la lettre représentant les aciers fortement alliés, le premier chiffre (2) représente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Cr et Ni) et leurs pourcentages respectifs donc ici on a un acier fortement allié avec 0,02% de carbone allié avec du chrome à hauteur de 18% et de nickel à hauteur de 9% (c'est un acier inoxydable).

Les aciers rapides (HS) font partie de cette famille et sont décrits par les lettres HS suivies de la teneur des éléments d'alliages suivants: W, Mo, V, Co


Aciers multiphasés

Ces aciers sont conçus suivant les principe des composites: par des traitements thermiques et mécaniques, on parvient à enrichir localement la matière certains en éléments d'alliage. On obtient alors un mélange de phases dures et de phases ductiles, dont la combinaison permet l'obtention de meilleures caractéristiques mécaniques. On citera, par exemple:

les aciers damassés où des couches blanches ductiles pauvres en carbone absorbent les chocs, et les noires, plus riches en carbone, garantissent un bon tranchant.
les aciers Dual Phase qui sont la déclinaison moderne de l'acier damassé, mais où la distinction entre phase dure (la martensite) et phase ductile (la ferrite), se fait plus finement, au niveau du grain.
les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity), où la ferrite se transforme partiellement en martensite après une sollicitation mécanique. On débute donc avec un acier ductile, pour aboutir à un acier de type Dual Phase.

Propriétés et caractéristiques des aciers

L’acier est un alliage de fer, sa densité varie donc autour de celle du fer (7,32 à 7,86), suivant sa composition chimique et ses traitements thermiques. La densité d'un acier est typiquement un peu supérieure à 8. Par exemple, la densité d'un acier inoxydable de type 304 est environ 8,02.

Ils ont un module de Young d'environ 210 000 MPa, 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.

Le traitement thermo-mécanique est l'association :

d'un traitement thermique, sous la forme d'un cycle chauffage-refroidissement (trempe, revenu...) ;
d'un traitement mécanique, une déformation provoquant de l'écrouissage (laminage, forgeage, tréfilage...).
Le traitement de surface consiste à modifier la composition chimique ou la structure d'une couche extérieur d'acier. Cela peut être :

une réaction en phase liquide (chromatation, carburation, nitruration en bain de sel, galvanisation...) ;
une réaction en phase gazeuse (nitruration en phase liquide) ;
une projection d'ions (implantation ionique) ;
un recouvrement (peinture, zingage).
Voir aussi l'article détaillé traitements anti-usure.


Symbolique

L'acier est le 7ème niveau dans la progression de la sarbacane sportive.