Nuances d’acier

Auteur : Eric Gallais                                                                     11  Février 2015

Nuances d’acier

Depuis les origines :

Pas question de faire ici un traité exhaustif de métallurgie.  Cependant les bateaux auxquels on s’intéresse à travers ce site sont, pour la plupart, construits en acier.  Il n’est donc pas complètement inutile de mieux comprendre de quelle matière ils sont faits.

Depuis l’ « âge du fer », les procédés d’obtention du métal à partir du minerai ont reposé sensiblement sur le même principe : montée en température jusqu’à réduction du minerai (passage de l’état oxyde de fer à fer) et séparation par fusion du fer (1538°C) et coulée. Ce principe est toujours d’actualité. Il a pour conséquence secondaire (mais importante) d’introduire une certaine quantité de carbone dans le métal. Cette concentration en carbone définit un des critères de catégorisation des métaux ferreux :

• Le fer ou fer doux pour lequel la concentration en C est très faible : < 0.02%
• Les aciers pour lesquels la teneur en carbone est comprise entre 0.02% et 2%
• Les fontes dont la concentration en C est > 2%

 

Il y a toujours d’autres éléments chimiques présents. Soit ils sont non désirés et ce sont des impuretés, soit ils sont dosés et on obtient ainsi toute une famille d’ « aciers alliés » qui ont chacun des propriétés bien spécifiques.

Les aciers inox représentent une sous-famille d’aciers alliés pour lesquels il y a du Ni et du Cr et éventuellement d’autres métaux.

 

Caractéristiques des aciers :

 Dans ce document nous nous intéressons aux « aciers non alliés », c’est-à-dire composés essentiellement de fer et de carbone.

1. Une première caractéristique est la « soudabilité ».

Pour faire vite, celle-ci est inversement proportionnelle à la teneur en carbone. Le fer se soude plus facilement que l’acier. La fonte pose des problèmes difficiles en matière de soudure.

2. La dureté : les aciers carbonés ont une dureté supérieure aux aciers doux ou au fer. L’intérêt de ce paramètre est qu’il y a une correspondance approximative entre la dureté et la résistance à la traction. Il y a plusieurs indices de dureté : Brinell, Rockwell, Vickers,…. définis selon les modalités du test de dureté. Il existe un outil de mesure de dureté Brinell portable, utilisable sur Chantier[1].
3. La résistance mécanique : charge maximum utile, limite élastique, charge à la rupture paramètres essentiels dans la construction navale. A titre d’exemple, le poinçonnage se fait comme « dans du beurre » avec des aciers très doux, alors que pour des aciers durs,  ça part « comme un coup de canon »
4. La capacité au moulage : c’est le domaine privilégié de la fonte. Bollards, hélices, ancres, barbotin, …et bien d’autres accessoires de ces bateaux sont réalisés en fonte via une technique de fonderie. La fonte se prête bien à cette mise en œuvre. Le point de faiblesse de la fonte se situe dans son coté fragile au choc qui peut entraîner des ruptures accidentelles. On trouve également des variétés d’acier aptes au moulage mais toutes ne le sont pas.
5. Résistance à la corrosion : les comportements des aciers sont très variables selon la teneur en carbone. On a pu constater que des aciers durs étaient quasi insensibles à l’oxydation (c’est-à-dire à la formation de rouille) dès lors qu’un passage piéton occasionnel existait.
6. Traitements thermiques et de surface : on fait subir aux aciers qui le supportent des traitements thermiques tels que la trempe, le revenu ou le recuit qui ont pour but de modifier les caractéristiques mécaniques du matériau. Il en est ainsi également pour les traitements de surface comme la cémentation. Des modifications des caractéristiques du matériau peuvent se produire également lors de déformations répétitives comme l’écrouissage. Cette transformation rend le métal plus dur et plus cassant. Ce phénomène peut se produire à la jonction (à recouvrement) de 2 tôles qui travaillent en flexion dynamique, au droit des bords de tôle. On a pu constater une augmentation de la fragilité à la corrosion dans ces zones.
7. La résilience qui caractérise le comportement de l’acier sous l’effet des chocs ce qui est, tous les bateliers le savent, le lot quotidien de ces bateaux.

 

La résistance mécanique :

On utilise des unités équivalentes à des pressions. En effet ce qui importe c’est de savoir par exemple quelle force de traction peut supporter un fil de 1 mm² .

Les unités contemporaines dans ce domaine sont pour la force le Newton (N) et la surface le m².

La pression s’exprimera en N/m²   : c’est le pascal (Pa) et une unité dérivée, le bar :

1 bar = 10⁵ Pa

1bar = 10⁵N/10⁴cm² = 10N/cm².

C’est, en ordre de grandeur, la valeur de ce que l’on appelle la pression atmosphérique qui, dans les unités utilisées autrefois (et encore souvent maintenant), vaut environ 1kg/cm². En résistance des matériaux, on utilise également le MPa qui vaut 10⁶ Pa.

Pour concrétiser cette unité on peut se poser la question suivante : quel poids maximum peut-on soulever avec un fil de 1mm² de section, en acier, dont la résistance à la rupture serait de 400 MPa ?

400MPa = 400X10⁶N /M² .

Or 1m² vaut 10⁶mm² donc le fil cassera si on tire avec une force de 400N, ce qui en unités d’autrefois correspond à un poids de 40Kg.

 

Les catégories d’acier :

Lorsque cette notion de résistance des matériaux est assimilée on peut aborder la question de la classification des aciers. On n’évoquera pas ici la catégorie 2 qui concerne les aciers alliés et inox.

On trouve différentes « classes » en fonction de l’usage auquel on destine l’acier :

On détaille ici certaines des classes de la catégorie 1.

Classe S : aciers destinés d’usage général avec des résistance de limite d’élasticité R_e mini de l’ordre de 200 MPa et des résistances R à la rupture de l’ordre de 400 MPa.

Classe E : destinés à la construction mécanique avec des  R_e mini de l’ordre de 300 MPa et des R de l’ordre de 600 MPa.

Classe G : aciers moulables.

Il existe d’autres catégories qui présentent un moindre intérêt pour ce qui concerne notre sujet.

 

Les grades :

Certaines qualités d’acier en particulier les aciers des chaînes sont caractérisés par des grades.

Un grade élevé indique une qualité d’acier plus grande. Ainsi on trouve les indications suivantes  : grade 30 pour les chaînes-mère et 40 pour les chaînes-fille, pour la réalisation d’un mouillage sur coffre. Les grades 80 et 100 sont utilisés pour la réalisation de chaînes de manutentions qui doivent être irréprochables quant à la qualité des aciers et résister sans défaillances aux charges maxima utiles.

[1] Formulaire du technicien tuyauteur chaudronnier & soudeur, p 285-286, C. Hazard, Casteilla.