Les caractéristiques des aciers

On ne choisit pas de l’acier mais un acier en fonction :

d’un emploi qui se traduit par des exigences de fonctionnement et de durabilité lors de sollicitations prévues (conditions normales de service) ou exceptionnelles ;
des mises en œuvre nécessaires (formage, soudage etc.).

Il possèdera les caractéristiques adaptées à son usage en fonction de sa composition chimique et du processus de fabrication, incluant notamment les traitements thermiques lors d’étapes intermédiaires ou sur le produit final.

Il s’agira parfois d’un compromis car un facteur impactant positivement une caractéristique peut entraîner une moindre efficience sur une autre.

Les caractéristiques principales sont déterminées suivant des processus normalisés (appelés essais). Les valeurs obtenues lors des essais ne sont pas des indications absolues car elles sont liées aux conditions d’exécution de ces derniers, notamment le recours à des éprouvettes usinées dans la plupart des cas.

Quelles sont les différentes caractéristiques mécaniques et propriétés d’emploi ?

Résistance statique: capacité à maintenir l’intégrité notamment en ce qui concerne les risques de rupture face aux sollicitations mécaniques. On examine dans certains cas les données en tenant compte de la température et/ou de la vitesse de déformation. Les valeurs de référence établies grâce à un essai de traction sont :
R_e (limite d’élasticité) qui détermine la limite au-delà de laquelle apparaissent des déformations plastiques,
R_m (résistance à la traction) qui caractérise bien la force maximale que peut supporter un élément de structure soumis à une traction pure.
Ductilité: capacité à supporter une déformation. On suit, toujours au travers de l’essai de traction, les valeurs suivantes :
A (allongement après rupture),
Z (coefficient de striction reflétant par exemple les possibilités de formage à froid du métal),
A_g allongement réparti (observé sur l’éprouvette avant le début de la striction et correspondant à la force équivalente à la résistance à la traction). Cette dernière valeur permet d’apprécier la sécurité en service.

Eventuellement, on utilise R_m / R_e comme indice de la capacité de déformation plastique de l’acier.

En outre le coefficient d’anisotropie plastique et le coefficient d’écrouissage sont particulièrement pris en compte pour l’emboutissage notamment des tôles pour automobiles.
Dureté: mesure de résistance à la déformation d’un matériau.

Différents essais existent en fonction de la forme du pénétrateur et de la référence permettant d’estimer la facilité d’enfoncement comme le diamètre de l’empreinte d’une bille dans les essais Brinell (voir fiche sur les essais de dureté).

Cette caractéristique fait l’objet de spécifications seulement pour un petit nombre de produits (certains fers blancs, les aciers à outils, quelques aciers résistant à l’abrasion par exemple) ainsi que pour certains états de livraison pour traitements thermiques (état adouci).

La simplicité et la rapidité de la mesure favorisent son utilisation pour des contrôles intermédiaires lors du process ou pour obtenir des indications indirectes sur les propriétés de traction d’un produit (voir NF EN ISO 18265 sur la conversion des valeurs de dureté).

Elle est utilisée également pour caractériser l’aptitude à la trempe (essai Jominy) ou pour évaluer le comportement au soudage. On utilise aussi cette mesure pour certains suivis comme la stabilité structurale en service (vieillissement thermique ou fluage).

Ténacité ou résilience: capacité à résister à l’amorçage ou à la propagation de fissures.

Elle est évaluée en particulier lors des essais de rupture en flexion par choc (voir norme NF EN ISO 148-1).

Il s’agit entre autres de caractériser l’acier par rapport à sa résistance à la rupture fragile. On peut évaluer également la rupture fragile par la valeur du facteur d’intensité de contrainte critique K_IC. D’autres essais existent comme entre autres les essais Batelle ou Robertson.

On différencie les « ruptures ductiles » et les « ruptures fragiles » en faisant intervenir parfois le faciès des ruptures (clivage et inter-granulaire pour un faciès macroscopique fragile, ductile ou à cupules).
Les aciers présentent généralement avec la température une transition de ténacité ductile-fragile. Les ruptures dans la zone de transition sont mixtes et l’on définit un taux de cristallinité (pourcentage de la cassure d’aspect fragile).

Quelles sont les différentes caractéristiques mécaniques et propriétés d’emploi (Suite) ?

On vérifie en outre l’aptitude au pliage par l’absence de fissures lors d’une opération de pliage avec un rayon et pour un angle donnés.
Ces caractéristiques mécaniques permettent de dimensionner une construction ou un appareil à partir de critères de résistance à la déformation et à la rupture.

Endurance: résistance d’une pièce à des sollicitations répétées et d’une amplitude inférieure à la limite d’élasticité (fatigue).

Traditionnellement, la courbe de base utilisée pour refléter cette caractéristique est la courbe de Wöhler. On peut alors évoquer la limite d’endurance correspondant à l’asymptote de la courbe.

Une autre mesure correspond à la résistance au fluage : comportement sous charge constante à une certaine température (voir NF EN ISO 204).

La notion de fatigue sera prise en compte par exemple pour les aciers de construction mécanique notamment pour l’automobile ou pour les aciers utilisés dans la construction de structures (bâtiments, ponts) et dans les appareils soumis à pression en particulier dans le nucléaire.

Les aciers spéciaux résistant au fluage sont utilisés principalement dans le domaine de l’énergie (rotors, turbines) et de la pétrochimie (appareils sous pression).

On s’intéresse également, en particulier dans le cas des tôles minces pour emboutissage, à la notion de vieillissement (évolution des caractéristiques avec le temps notamment après écrouissage avec la diffusion du carbone ou de l’azote libre). Pour les aciers spéciaux, on surveille la fragilisation possible des aciers (évolution de la température de transition fragile-ductile ou abaissement de ductilité ou de résistance).
Le choix d’un acier est toujours mené en prenant en compte les conditions du milieu où il est utilisé. Ainsi par rapport à l’emploi et la résistance à la corrosion,on pourra s’orienter sur le choix d’aciers revêtus, d’aciers auto-patinables ou enfin des aciers inoxydables. On citera également la nécessité de résistance par rapport aux phénomènes de fragilisation par l’hydrogène spécialement en présence d’H₂S et d’oxydation à chaud.

En complément de cette approche, on peut également tenir compte de propriétés de mise en œuvre comme la soudabilité ou l’usinabilité.

Quelles sont les propriétés physiques ?

On peut regrouper les propriétés physiques des aciers selon quelques grandes catégories :

Caractéristiques générales (masse volumique …),
Caractéristiques liées à l’élasticité telle que le module d’élasticité, donnée en général peu variable d’un acier à un autre,
Caractéristiques liées au comportement de l’acier en fonction de phénomènes thermiques tels que la conductivité thermique qui est importante pour les applications mettant en jeu la transmission/évacuation de chaleur comme dans le cas des transformateurs,
Caractéristiques ou propriétés électriques et magnétiques qui sont importantes notamment pour les aciers pour applications électrotechniques.

Vous retrouverez les définitions de certaines caractéristiques physiques dans la fiche ConstruirAcier qui leur est dédiée.

Pour aller plus loin

Pour approfondir le sujet, vous pouvez consulter :

Le dossier sur le site Techniques de l’ingénieur ;
Le Livre de l’Acier – Lavoisier TEC&DOC – Editeurs scientifiques : Gérard Béranger, Guy Henry, Germain Sanz (Partie 3 : Propriétés d’usage pages 207-501) ;
Les Aciers Spéciaux – Lavoisier TEC&DOC – Editeurs scientifiques : Gérard Béranger, Guy Henry, Gérard Labbe, Pierre Soulignac (Partie 4 : Propriétés d’emploi pages 449-652) ;
Le livre « l’Acier » de l’OTUA (référence 14.002) commercialisé par ConstruirAcier ainsi que les articles d’experts sur le site comme la fiche sur les propriétés mécaniques où vous retrouverez les définitions des différentes valeurs mesurées lors de l’essai de traction. Voir également sur leur site les dossiers téléchargeables sur les essais (Traction, Dureté, Fluage) et sur la rupture des aciers ;
Pour approfondir les informations sur les différents types de corrosion à prendre en compte pour les aciers inoxydables, vous pouvez consulter la fiche sur le site d’Aperam.

Les indications figurant dans ce document sont fournies à titre informatif sans aucune garantie de la FFA ; leur usage ne peut engager sa responsabilité en aucune façon. Seule la norme AFNOR dans son édition la plus récente fait foi.