Acier

L'acier est un alliage composé essentiellement de fer, contenant jusqu'à 1,7 % de carbone en masse (au-delà, on parle de fonte), et éventuellement d'autres éléments. La présence de carbone rend progressivement l'acier plus dur, et donc plus cassant.

Histoire de l'acier

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 XIX^e siècle sont apparues des méthode de fabrication directe de l'acier sans passer par l'étape fer, avec le procédé Thomas-Gilchrist de déphosphoration des minerais, et les fours Bessemer (Henri Bessemer, 1855 affinage de l'acier par insufflation d'air) et Siemens-Martin. Ces découvertes, permettant la fabrication en masse d'un acier de « qualité » (pour l'époque), participent à la Révolution industrielle.

Voir l'article détaillé Histoire de l'acier.

Fabrication de l'acier

L'acier s'élabore actuellement de deux manières :

• dans un haut-fourneau, à partir du minerai de fer et de coke avec réduction du carbone dans un convertisseur ;
• dans un four électrique, à partir d'acier de récupération ; on parle d'acier de recylage ou d'acier électrique.

Composition des aciers

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

• les aciers hypoeutectoïdes (de 0,025 à 0,8 % de carbone) qui sont les plus mous ;
• les aciers eutectoïdes (0,8 % de carbone) ;
• les aciers hypereutectoïdes (de 0,8 à 1,7 % de carbone) qui sont les plus durs ;

Remarque: on voit souvent des indications comme quoi le fer contenu dans les aciers aurait une structure cristalline différente. Ceci est vrai, mais est seulement fonction de la température :

• en dessous de 721 °C et au-dessus de 1 400 °C le fer (fer α) à 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) à une structure cristalline cubique à faces centrées ;

Image manquante
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diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser conditions d'existence des formes d'acier


Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser conditions d'existence des formes d'acier

Sur ce diagramme, on parle d'acier jusqu'à 1,7 % en masse de carbone (limite de la zone d'austénite), mais on peut avoir des aciers contenant plus de carbone lorsque l'on ajoute des éléments d'alliage.

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

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 10 % de nickel et 18 % de chrome en masse).

Propriétés des aciers

Ils ont un module de Young d'environ 200 GPa, 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.

Économie

Entreprises productrices

Entreprises productrices : Arcelor, JFE, Nippon Steel, Posco, Ispat, Corus, Thyssen-Krupp, Bao steel, Riva, Sumitomo, Mittal Steel.

Évolution de la fabrication d'acier pendant le XX^e siècle

Définition :
Acier brut : acier liquide ou acier sous forme de demi-produit (brame, billette ou blooms). Il ne s'agit pas de produits finis (tôle, fil...).

La production de 2005 d'acier brut devrait excéder un milliard de tonnes (source : http://www.worldsteel.org/news/72).

Répartition géographique de la fabrication

Source : International Iron & Steel Institut (http://www.worldsteel.org/)

Répartition géographique de la consommation

Les chiffres de consommation sur dix ans montre une très forte augmentation de la demande d'acier par la chine. En 2004, la demande chinoise entraîne des fortes augmentations de prix de l'acier (de 20 à 50%). Elle crée également des tensions pour l'approvisionnement. Un fait symptomatique, le fabricant automobile japonais Nissan, a fermé pendant une semaine (du 29 novembre au 8 décembre 2004) trois usines sur les quatre qu'il possède au Japon à cause de rupture d'approvisionnement en acier (et probablement d'une politique d'achat trop agressive). Ces fermetures ont entraîné un déficit de fabrication de vingt cinq milles voitures soit une perte de quarante quatre millions d'euro.

• Pays producteurs
• Usines productrices
• Restrictions américaines en 2002, levées en décembre 2003.

Utilisation

L'acier a de nombreuses applications dans l'automobile, la construction, l'emballage (boîtes de conserve)...

Recyclage

L'acier est facilement récupérable au milieu d'autres déchets au moyen d'un tri magnétique. Son caractère magnétique lui permet en effet d'être attiré par un aimant. L'acier est recyclable à l'infini. Le recyclage permet de faire des économies de minerai, d'eau et d'énergie.

Liens externes

• Qu'est-ce que l'acier ?, un article de la Fédération française de l'acier
• La sidérurgie de 1850 à nos jours, un article du site des élèves de l'ENS

See also: Acier, 1712, 1786, 1855, 2002, 2003, Acier inoxydable, Alexandre-Théophile Vandermonde, Alliage