1

SOMMAIRE

INTRODUCTION………………………………………………………………………………………………..…..2

Première Partie : GENERALITES………………………………………………………………..…..............3

I- Propriétés des aciers…………………………..………………………………………………………………………………………………………..…….4

II-Aperçu de la composition, des avantages et des inconvénients………………………………………………………………...…...4

III-Alliages fer-carbone…………………………………………………………………………………….……………………………………….……………5

IV- aciers au carbone……………………………………………………………………..……………………….……………………………………..………6

Deuxième Partie : DESIGNATION ET PRINCIPALES NUANCES DES ACIERS ET

FONTE………………………………..……………………………………………………………………………….…8

I- Acier au carbone d’usage general……………………………………….………….……. ……………………………………………………….……9

II-Aciers spéciaux, non alliés, de type C……………………………………….………………………………………………………………………...…11

III-Acier faiblement alliés pour haute résistance…………………………………………………………………………………………………..…11

IV-Acier fortement alliés ………………………………………………………………………………………………………………………………………..…15

V-Fonte…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…19

CONCLUSION………………………………………………………………………………………...……..…...…24

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 2

INTRODUCTION

Les aciers sont des matériaux contenant en masse plus de fer que tout autre élément et dont

la teneur en carbone est inférieure à 2 % (ou 1,7 %). Ils sont ductiles : Leur mise en forme

peut s’obtenir par des compressions à froid.

Les constituants de l’acier sont alliés au fer. Ce sont le carbone (généralement entre 0,2 et

0,7 %) et le silicium (entre 0,1 et 0,7 % ou jusqu’à 4 % dans certains aciers spéciaux). On

trouve aussi le manganèse, entre 0,3 et 0,8 %, ou entre 12 et 15 % dans les aciers de grande

dureté. Le manganèse permet au fer de conserver sa capacité au soudage, qu’il perd lorsqu’il

est allié à plus de 0,15 % de carbone. Le soufre et le phosphore, ainsi que l’oxygène, sont des

impuretés néfastes, même à une teneur de 0,1 %. Le soufre abaisse la malléabilité de

l’alliage ; le phosphore le fragilise. Dans de nombreux aciers spéciaux, on rencontre le nickel,

le molybdène et le vanadium.

Les propriétés physiques des différents types d’acier dépendent avant tout de la teneur en

carbone et de la manière dont l’élément est réparti dans le fer. Avant le traitement

thermique, la plupart des aciers sont un mélange de ferrite et de cémentite. La ferrite,

ductile, est un fer contenant de petites quantités de carbone et d’autres éléments en

solution. La cémentite, composée de fer contenant environ 7 % de carbone, est

extrêmement cassante et dure. La dureté et la résistance d’un acier non traité dépendent

des proportions de ces composants. La structure des aciers est déterminée par

métallographie, au moyen d’un microscope électronique [2].

Cinquante huit nuances d’aciers sont couramment commercialisées : Il existe trois familles

principales d’aciers : les aciers au carbone d’usage général ; les aciers faiblement alliés pour

haute résistance et les aciers fortement alliés d’usage particuliers *1+. De prix compétitif,

mieux adaptées au moulage qu’aux aciers, du faite d’une plus grande fluidité à chaud et de

températures de fusion inférieures (1200°C contre 1500°C), les fontes sont régulièrement

utilisées.

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 3

Première Partie :

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 4

I- PROPRIETE DES ACIERS

Les aciers sont élaborés pour résister à des sollicitations mécaniques ou des agressions

chimiques ou une combinaison des deux. Pour résister à ces sollicitations ou agressions, des

éléments chimiques peuvent être ajoutés en plus du carbone. Ces éléments sont appelés

éléments d'additions, les principaux sont le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le

molybdène (Mo). Les éléments chimiques présents dans l'acier peuvent être classés en 3

catégories :

Les impuretés, originellement présentes dans les ingrédients de haut-fourneau qui

serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l'acier. Ce sont le soufre (S) et le

phosphore (P) présent dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l'étain (Sn) qui

peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi que nombre d'autres

éléments à bas point de fusion comme l'arsenic (As), l'antimoine (Sb) ;

Les éléments d'addition mentionnés plus haut et qui sont ajoutés de manière

intentionnelle pour conférer au matériau les propriétés recherchées, et enfin ;

Les éléments d'accompagnement que l'aciériste utilise en vue de maîtriser les

diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir en final un acier

conforme à la spécification. C'est le cas d'éléments comme l'aluminium, le silicium, le

calcium.

II- APERCUE DE LA COMPOSITION DES AVANTAGES ET DES

INCONVENIENTS

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 1.7 %, 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 ;

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 5

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 à laquelle on peut toutefois remédier, soit par divers traitements de

surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l’utilisation de

nuances d'acier 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 grande masse

volumique est pénalisante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers

des matériaux plus légers (alliages à base d’aluminium, titane, composites, etc.), qui ont

l'inconvénient d'être plus chers.

De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d’application

technique : équipements publics (ponts et chaussées, signalisation), industrie chimique,

pharmaceutique et nucléaire (équipements sous pression, équipements soumis à l'action de

la flamme, récipients divers), agro-alimentaire (conditionnement et stockage), bâtiment

(armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industrie mécanique et thermique

(moteurs, turbines, compresseurs), automobile (carrosserie, équipements), ferroviaire,

aéronautique et aérospatial), médical (instruments, appareils et prothèses), composants

mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe

(marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), mobilier, design

et équipements électroménagers, etc.

Les aciers et les fontes sont les alliages du fer et du carbone avec éventuellement des

éléments d’addition(aciers alliés). Ils sont peu couteux (le fer, métal de base le moins cher,

existe en grande quantité sur la planète) et sont facilement recyclable.

III- ALLIAGE FER-CARBONE

1. Fer Le fer perd ses propriétés magnétiques au-dessus de 768°C, point de Curie, et existe sous

plusieurs formes en fonction de la température :

Fer α (alpha) : il existe jusqu’à 906°C. De structure cristalline à maille cubique centrée, il ne

dissout pratiquement pas le carbone (0.025%C à 725°C, 0.008%C à température ambiante).

La solution fer α plus carbone dissous s’appelle la ferrite.

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 6

Fer ϒ (gamma) : il est stable entre 906°C et 1401°C ; de maille cubique à faces centrées, il

peut absorber, ou << dissoudre>>, beaucoup plus d’atomes de carbone que le fer α car les

interstices sont plus nombreux entre les atomes. La proportion maximale est de 1.7% à

1135°C. La solution fer ϒ plus carbone dissout s’appelle l’austénite.

Fer δ (delta) : il est stable entre 1401°C et 1528°C ; de maille cubique centrée, il a peu

d’importance sur le plan industriel.

2. Carbone Il fond à 3500°C et cristallise sous trois formes possibles : le graphite, le diamant et le noir de

fumée.

3. Alliage fer-carbone Alliés avec le fer, les atomes de carbone remplissent plus ou moins les interstices, ou les

vides, laissés entre les atomes de fer de chaque maille. Les caractéristiques de la structure

de base sont modifiées, le fer devient acier ou fonte avec de meilleures propriétés.

Sous certaines conditions d’équilibre, le carbone peut s’amalgamer, sans dissolution, au fer

pour former du carbure Fe3C ou cémentite qui contient 6.67%C, pourcentage maximal

d’absorption.

IV- ACIERS AU CARBONE

Lorsque les refroidissements sont suffisamment lents, l’austénite se transforme d’abord en

ferrite qui, compte tenu des interstices plus petits de sa maille, ne peut pas absorber tous les

atomes de carbone libérés. En conséquence, au fur et à mesure que la température diminue,

une partie du carbone libéré se combine avec les atomes de fer pour produire de la

cémentite. Cette cémentite s’agglomère avec la ferrite précédente pour donner la perlite. En

fin de refroidissement on peut obtenir trois cas d’aciers.

1. Acier eutectoïde (0.83%C)

Toute l’austénite initiale est précipitée en perlite : un seul constituant de base contenant

0.83%C .

2. Acier hypoeutectoïde(0.008 à 0.83%C)

Ce sont les plus utilisés industriellement ; ils ont deux contituants de base, la perlite et la

ferrite. Au refroidissement l’austénite se transforme d’abord en perlite, mais comme il n’y a

pas assez d’atomes de carbone pour n’obenir que de la perlite, il reste toujours une certaine

quantité de ferrite dont la proportion est fonction du pourcentage de carbone initial.

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 7

Exemples : un acier à 1.2% contient 6% de cémentite et 94% de perlite ; un acier à 1.4%C

contient 9.5% de cémentite et 90.5% de perlite…

3. Acier hypereutoïdes (entre 0.83 et 1.7%C)

Ils ont deux constituants de base, la perlite et la cémentite. Tout le carbone initial ne

pouvant être dissous et consommé par la perlite, les atomes restants s’amalgament avec le

fer pour former de la cémentite, dans des proportions qui sont fonction du pourcentage de

carbone initial.

Exemples : un acier à 1.2%C contient 6% de cémentite et 94% de perlite ; un acier à 1.4%C

contient 9.5% de cémentite et 90.5% de perlite…

Microstructures des aciers en fonction du pourcentage de carbone (grossissement*100)

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 8

Deuxième Partie :

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 9

I- ACIER AU CARBONE D’USAGE GENERAL

1-Acier usuel (S,E,etc…) D’usage général, caractérisés par une faible teneur en carbone, ce sont les plus utilisés. Ils

existent dans des qualités diverses et des variantes réservées à des usages particuliers

(moulage, soudage…).

La plupart sont disponibles sous forme de laminés marchands (profilés, poutrelles, barres,

tôles…) aux dimensions normalisées. Certains sont proposés en semi-fini : prélaqués,

galvanisés, nervurés, ondulés etc. normes : NF EN 10027 : A02-005-3 etc.

Applications (construction soudée, laminage, pliage…) : carrosseries, fers et profilés pour le

bâtiment, construction navale, plate-forme pétrolière, trains, chaudronnerie, ameublement,

électroménager, biens de consommation…

2-Désignation normalisée Lettre (S, E, etc.) suivi de la limite élastique à la traction Re en MPa ou N/mm2. S’il s’agit d’un

acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G. Exemple : GE 335, GS 235 etc. Le

tableau ci-dessous montre les principales nuances normalisées.

Figure 1: Désignation des aciers au carbone

G S 355 NL

Acier moulé (Si nécessaire)

S acier d’usage général E acier de construction mécanique P acier pour appareils à pression B acier béton H produits plats pour formage

Indication complémentaire F forgeage N normalisation M laminé Q trempé et revenu L basse température

Limite d’élasticité Re en MPa

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 10

3- Principales nuances normalisées

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 11

II- ACIERS SPECIAUX NON ALLIES DE TYPE C

Ils sont destinés aux traitements thermiques (trempe, cémentation..), cas de pièces petites

ou moyennes.

1. Désignation Lettre C suivie du pourcentage de carbone multiplié par 100 plus au besoin des indications

complémentaires (E = teneur en soufre, C = pour formage, S = pour ressort etc.).

Exemple : GC 35 E (0,35% de carbone, G = acier moulé, E = teneur maxi en soufre)

2. Principales nuances normalisées

Aciers en faible teneur en carbone (< 0,3%) : ils sont réservés à la cémentation et aux

traitements de surface (catégorie des aciers « doux »).

Aciers à teneur moyenne en carbone (0,3 à 0,5%) : ils sont utilisés pour les trempes et les

revenus, dans le cas d’application exigeant une plus grande résistance et une certaine tenue

à l’usure (catégorie des aciers « mi-dur »).

Applications : pièces moulées et forgées, arbres, axes, engrenages, visserie.

Aciers à haute teneur en carbone (> 0,5%) : ils sont employés pour des applications

exigeantes : grandes duretés, hautes résistances, tenue à l’usure. Ils ont tendance au

gauchissement et aux déformations après trempe. Ils perdent leurs propriétés aux hautes

températures. Ne durcissant pas en profondeur ils sont surtout utilisés pour des pièces

« petites » en volume ou minces.

Exemples de nuances : C55 (XC55) ; C60(XC60) ; C70(XC70) ; C80 (XC80) Applications : pièces forgées, ressorts, lames rasoirs, forets, matrices.

III- ACIERS FAIBLEMENT ALLIES POUR HAUTE RESISTANCE

Le pourcentage (en masse) de l’élément d’addition ne dépasse pas 5%. Ils sont choisis

chaque fois qu’une haute résistance est exigée. Ils peuvent être utilisés en état ou avec

traitement.

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 12

1- Désignation

Pourcentage de carbone multiplié par 100 suivi des symboles chimiques des principaux

éléments d’addition classés en ordre décroissant. Puis, dans le même ordre, les

pourcentages de ces mêmes éléments multipliés par 4, 10, 100 ou 1000 (figure 2), plus au

besoin des indications complémentaires.

Exemples : G35 NiCrMo 16 (0,35% de carbone ; 4% de nickel et des traces < 1% de chrome et

de molybdène, G = acier moulé

x 4 x 10 x 100 x 1000

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr Ce, N, P, S B

Figure 2 : Désignation des aciers faiblement alliés

2- Aciers de cémentation (%C<0.2%)

Un autre traitement peut être ajouté à de la cémentation. Ils peuvent recevoir une trempe

(trempabilité fonction de la composition) dans la masse.

Classement par résistances « sous-couches » croissantes : 10NiCr6, (20NiCrMo2 – 13NiCr14),

(20NiCrMo2), (16NiCrMo13 – 25MnCr5 – 20NiCr6), 10NiCr6 est un acier doux comparable à

la nuance C22 mais en plus résilient.

3- Aciers pour trempe dans la masse

Ils permettent la trempe en profondeur des pièces massives et sont beaucoup plus

performants que les aciers C.

Classement par résistances croissantes possibles : 28Mn6 (20MnCr5 – 38Cr – 46Cr2 –

20NiCr6 – 25CrMo4), (41Cr4 – 30NiCr11 – 34CrMo4 – 41CrAlMo7), (55Si7 – SiCrMo6),

G 35 NiCrMo 16

Principaux éléments d’addition dans

l’ordre

Acier moulé (Si nécessaire) Teneur en % des éléments

d’addition

% de carbone multiplié par

100

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 13

(42CrMo4 – 50CrV4 – 50CrMo4), (34CrNiMo6 – 31CrMo12 – 30CrNiMo8 – 35NiCrMo16),

(42CrMo4 – 50CrV4 – 50CrMo4), (34CrNiMo6 – 31CrMo12 – 30CrNiMo8 – NiCrMo16).

Remarques : 20Mn5 est un acier mi-doux semblable au C25 en plus trempant.

L’acier pour roulements 100Cr6 existe dans les variantes 100CrMn6, 100MnMo8 etc.

Tableau 2 : Aciers faiblement alliés et leurs utilisations

++++ : Très forte +++ : Forte ++ : Moyenne + : limitée

1 : engrenage 2 : arbres 3 : boulonnerie haute résistance 4 : roulements

5 : ressorts 6 : pièces de frottement 7 : pièces d’usure 8 : pièces de

sécurité, résistance aux chocs 9 : basses températures

10 : pour trempe superficielle P : petite D=50

M : moyenne D=100 G : grosse D=200

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 14

Principaux aciers faiblement alliés

Nuances Caractéristiques mécaniques

Cém

ent

a

Tion

Trem

pa

bi

lité

Taill

e d

es

piè

ces

Exemple d’utilisation

propriétés

Fam

ill

e

Désignation Ancienne

désignation

Rr

(daN/mm2)

Re

(daN/mm2)

A% K (daJ/cm2

Chr

om

e 38Cr2

46Cr2

41Cr4

100Cr6

38 C2

46 C2

41 C4

100 C6

60-95

65-110

80-120

85-125

35-55

40-65

56-80

55-85

14-17

12-15

11-14

10-13

5

4

4

4

+

+

++

++

P-M

P-M

P-M

P-M

2

2

1 2 3 10

4 5 HRc ≥ 62

Nic

kel-

chro

me

10NiCr6

20NiCr6

13NiCr14

30NiCr11

10 NC 6

20 NC 6

14 NC 11

30 NC 11

60-115

70-110

80-145

70-110

42-62

70-95

65-90

45-70

10-12

8-10

8-10

12-16

8-10

6-8

7-8

7

•

•

•

+

++

+

++

P

P

M

M

Aptitude croissante

1 2

3 8

Ni +

Cr

+ M

o 20NiCrMo7

20NiCrMo2

16NiCrMo13

34NiCrMo6

36NiCrMo16

30NiCrMo8

18CND6

20CND6

18CND13

35CND6

35CND16

30CND8

80-1500

7-155

85-155

85-140

100-145

90-145

70-90

60-95

65-95

6-100

80-105

8-10

8-11

8-11

10-13

9-11

10-12

5-6

5-7

5-7

6

5

6

•

•

•

+++

++

++

+++

+++

+

G

M

M

G

G

G

1 2 8 9

1 2

1 4

1 2 8

Trempable à l’air 1 2 8

1 2 3

Chr

om

e-

moly

bd

ène

31CrMo12

25CrMo4

34CrMo4

42CrMo4

50CrMo4

30CD12

25CD4

35CD4

42CD4

50CD4

90-130

75-110

70-120

75-130

80-130

70-90

45-75

50-8

55-90

60-90

10-12

12-16

11-15

10-14

9-13

5-6

7

6

5

4,5

+++

++

++

+++

+++

G

M

G

G

G

Pour nitruration

Soudabilité 2 3

1 2 3 10

1 2 3 10

1 2 3

Nua

nces

div

ers

es

51CrV4

41CrAlMo7

50CV4

40CAD6-12

70-130

80-120

50-90

60-80

8-14

10-14

4

5

+++

++

G

M

5 1

Pour nitruration 6 7

28Mn6

20MnCr7

20M5

20MC5

50-75

90-150

35-45

75-95

19-21

8-9

8

4-5

•

+

+

P

M

Soudabilité 2 7

1 2 7 8

55Si7

45SiCrMo6

55S7

45SCD6

70-170

85-130

50-90

60-95

9-13

9-13

4

5

++

+++

P

P-M

5 7

5 7

13MnS4

35MnS6

13MF4

35MF6

78-118

88-108

54

74

9

9

4

3,5

Pour décolletage

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 15

IV- ACIERS FORTEMENT ALLIES

Usage : industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine, chirurgie, etc.

Pour ces aciers au moins un élément d’addition dépasse la teneur de 5% en masse.

Ils sont composés d’acier (alliages de fer et de carbone) et de CHROME (qui au-delà de 12 à

13 %, produit la résistance souhaitée à l'oxydation). D’autres éléments peuvent être ajoutés

tel que le nickel , le molybdène ou le titane, le vanadium et le tungstène.

1- Désignation

Lettre X, symbolisant la famille, suivie des mêmes indications que pour les aciers faiblement

alliés (figure 3). Seule différence : pas de coefficient multiplicateur pour le pourcentage des

éléments d’addition (ni 10, ni 4,…).

Exemple : G X 6 CrNiTi 18-11 (0,06% de carbone ; 18% de chrome ; 11% de nickel et des

traces de titane (<1%), G pour acier moulé).

Figure 3 : Désignation des aciers fortement alliés

2-Aciers inoxydables austénitiques, groupe nickel-

chrome

Famille très importante, elle est caractérisée par une grande résistance à la corrosion à

l’oxydation à chaud, au fluage et subdivisée suivant la teneur en nickel (2.5%).

Leurs caractéristiques sont : tenue aux températures élevées et à l’écaillage, ductilité (A%

très élevé) ; résilience ; facile à forger et à souder, usinabilité médiocre. Ils peuvent être

durcis par corroyage (écrouissage) mais pas par trempe.

Les aciers au chrome sont ferritiques et magnétiques à l'état adouci. Certains se comportent

comme des aciers spéciaux auto-trempants, d'autres partiellement ou pas du tout.

Les aciers au nickel-chrome sont en général austénitiques et le traitement d'hypertrempe

G X 6 CrNiTi 18-11

% de carbone multiplié par 100

Principaux éléments d’addition dans l’ordre

Lettre symbolisant la catégorie

Teneur en % des éléments d’addition

Acier moulé (Si nécessaire)

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 16

(réchauffage à 1100°C environ, suivi d'un refroidissement rapide qui permet d'éviter les

températures critiques de formation de précipités de carbure de chrome ; avantages : grande

"souplesse" et risques de corrosion inter granulaire limités) les adoucit.

Nuances : X10 CrNi 18 10, X3 CrNiMoN 17 13.

Applications (chimie, alimentaire, médecine, transport, nucléaire…) : pièces embouties,

chaudronnées, cuves, réservoirs, armatures, conduites, vannes, visserie,…

3. Aciers inoxydables ferritiques

Ils sont toujours ductiles, ne durcissent ni par trempe, ni par écrouissage. Ils sont facile à

étirer, former, plier, forger, rouler (Ni<1%) leurs caractéristiques sont : usinabilité médiocre ;

soudage sous certaines conditions ; peu résilients et faible résistance à la rupture sous

températures élevées.

Nuances : X2CrNi12, X6Cr13, X6Cr17, X3CrTi17, X3CrNb17 etc.

Applications : équipements ménagers, décoration intérieure, automobiles, mobiliers…

4. Aciers inoxydables martensitiques

Utilisés lorsque les caractéristiques de résistance mécanique sont importantes. Les plus

courants titrent 13 % de chrome avec au moins 0,08 % de carbone. Résistant aux chocs et

durcissant par la trempe. Ils sont soudables à chaud, facilement forgeables, de bonne

usinabilité, et avec des bonnes caractéristiques mécaniques à température élevée (tableau).

La nuance de base X30Cr13 existent dans les variantes : X12Cr13, X20Cr13, X39Cr13,

X46Cr13 et X12CrS13.

Applications : organes et composants mécaniques diverses (toutes industries).

Principaux aciers inoxydables

Nuances normalisées NF en

10088

Re (daN/mm2) Rr (daN/mm2) A% K (daJ/cm2)

Austénitiques

X 2 CrNi 19-11

(Z 3 CN 19-11)

18

à 21,5

46

à 68

35

à

45

12

ou

60

à

100KV

X 5 CrNi 18-10

(Z 7 CN 18-09)

19

à 25

52

à 72

X 5CrNiMo 17-10

(Z7 CND 17-11)

20

à 26

52

à 70

30

à

40

X 6 CrNiTi 18-10

(Z 6 CNT 18-10)

19

à 25

50

à 72

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 17

X 6 CrNiMoTi 17-12

(Z 6 CNDT 17-12)

20

à 27

50

à 73

X 30 Cr 13

(Z 30C 13

Martensitiques

60 à 65 80 à 100 10 à 15 2.5

X 6 Cr 17

(Z 8C 17)

Ferritiques

24 à 28 40 à 64 18 à 64

Tableau 3 : Aciers inoxydables

5. Aciers inoxydables biphasés (duplex)

Résistance à la corrosion inter granulaire et à la corrosion en eau de mer élevée .Ils

présentent, pendant l'essai de traction, un palier élasto-plastique. Ils se comportent comme

des aciers de construction. La transformation liquide / solide se en traduit par une

solidification en phase ferritique (ferrite delta) et à l'état solide, en austénite. Ils devraient

donc être dénommés aciers ferrito-austénitiques. Une bonne désignation permet de

comprendre qu’un refroidissement lent, pendant le soudage, permettra à un maximum de

phase ferritique de se transformer en phase austénitique et réciproquement, un

refroidissement rapide aboutira à un gel de la ferrite laissant peu de possibilités à la

transformation austénitique. Les aciers duplex ou ferrito-austénitiques ont environ 50% de

phase ferritique et 50% de phase austénitique en % de volume. Leur limite d’élasticité et leur

résistance à la rupture sont de ce fait plus hautes que celles des constituants de base ferrite

et austénite. Ces aciers subissent toujours un traitement thermique de dissolution des

précipités σ et α’.

La nuance de base X 2 CrNiMoN 22 5 3 existent dans plusieurs variantes.

Applications : organes et composants de pompes, industrie chimique, pétrolière et

maritime.

6. Aciers réfractaires

Résistance à la corrosion à haute température élevée. Les ferritiques ont comme éléments

de base Cr, Al pour les laminés et Cr, Si pour les moulés et les austénitiques de meilleures

résistances Rr ont pour éléments Cr, Ni (Si) dans les deux cas (tableau 4).

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 18

Tmax

[°C]

acier ferritique acier austenitique

laminé moulé laminé moulé

850

13

900

17

950

1000

1100

1150

29

X 10 CrAl 13

X 10 CrAl 18

X 10 CrAl 24

G-X 40 CrSi

G-X 40 CrSi

G-X 40 CrSi

X 12 CrNiTi 18 9

G-X 25 CrNiSi 18 9

G-X 25 CrNiSi 20 14

X 15 CrNiSi 20 12

G-X 40 CrNiSi 25 20

X 15 CrNiSi 25 20

G-X 40 CrNiSi 35 25

Tableau 4 : Quelques nuances d’aciers réfractaires

Applications : fours de traitements thermiques, incinérateurs, brûleurs, pétrochimie,

catalysateurs de voiture.

7. Autres familles

Aciers à outils : aciers rapides : exemple : X160CrMoV12 (Z 160CDV12)

Aciers maraging : très hautes résistances pour l’aéronautique, Rr proche de 200

daN/mm2 ; exemple : X2NiCoMo 18 (Z2NKD 18).

Aciers hadfields : au manganèse ; très grande résistance à l’usure ; la dureté superficielle

peut atteindre 500HB sous l’effet des chocs ; exemple : X120Mn 12 (Z120M 12).

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 19

V- FONTES

C’est au XVe siècle qu’il y a eu la naissance des premiers véritables fours qui allaient, au

cours des siècles, devenir les hauts-fourneaux.

Les hauts-fourneaux sont des ouvrages imposants qui peuvent atteindre 50 m de haut. Ils

servent à extraire du minerai le fer qui y est présent le plus souvent sous la forme d’oxyde

ferrique de formule Fe2O3. Ce dernier est réduit en fer métallique, à haute température, par

le monoxyde de carbone (CO) dégagé lors de la combustion du coke et du fondant (calcaire),

selon la réaction chimique : Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe

Le minerai, le fondant (calcaire), et le coke, sont introduits par l’ouverture appelée gueulard.

Ils descendent peu à peu par couches et entrent en contact avec de l’air chauffé à 1 000 °C.

Des réactions chimiques complexes ont lieu, et dans le creuset le mélange liquide atteint la

température de 1 800 °C. La fonte et le laitier (sous-produits surnageants) se séparent en

raison de leur différence de densité et ils s’échappent par deux trous de coulée différents. La

teneur en manganèse et en silicium du minerai, le pourcentage de coke, et surtout la vitesse de

refroidissement, aboutissent à la production de fontes eutectiques (point de fusion constant)

dont l’aspect et les propriétés physiques sont différents pour une même teneur en carbone.

La fonte, alliage de fer et de carbone dont la quantité de carbone varie de 2 à 5 % en poids.

La fonte est préparée dans les hauts-fourneaux sidérurgiques à partir de minerai de fer, de

coke et de fondant (calcaire). En raison des impuretés présentes dans le minerai de fer, la

fonte brute obtenue a généralement la composition suivante en poids : environ 92 % de fer,

3 à 4 % de carbone, 0,5 à 3 % de silicium, 0,25 à 2 % de manganèse, du phosphore et du

soufre à l’état de traces.

Leur grande coulabilité permet d’obtenir des pièces de fonderie aux formes complexes. A

cause du pourcentage élevé de carbone qu’elles contiennent, entre 2 et 4% (tableau), elles

sont en général assez fragiles, peu ductiles (inadaptées aux déformations à froid : forgeage,

laminage…) et difficilement soudables (figure 4) (tableau 5-8).

Haut- fourneau

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 20

Figure 4 : Désignation des fontes NF EN 1561

1-Fontes à graphite lamellaire EN6GJL (ex <<FGL>>)

Les plus économiques, les plus utilisées, ce sont les fontes de moulage par excellence. Le

carbone se présente sous forme de fines lamelles de graphite qui lui donne une couleur

« grise ».

Propriétés : bonne coulabilité, bonne usinabilité, grande résistance en compression et

grandes capacités d’amortissement des vibrations. Norme NF EN 1561.

Applications : bâtis de machine, supports, carters, blocs-moteur…

2- fontes à graphite sphéroïdale EN-GJS (ex<<FGS>>)

Ce sont les plus utilisées après les fontes à graphite lamellaire, obtenues par addition de

petites quantités de magnésium juste avant moulage ; le graphite s’agglomère pendant le

traitement sous forme de nodules ou sphères. Norme NF EN 1563.

Propriétés : ductilité, résilience et usinabilité

Applications : vilebrequins, arbres de transmission pièces de voirie, tuyauterie…

3- Fontes malléables EN-GJMW et GJMB (ex <<FMB et FMN>>)

Elles sont obtenues par malléabilisation de la fonte blanche (sorte de recuit) et ont des

propriétés mécaniques voisines de celles de l’acier. Elles peuvent être moulées en faibles

épaisseurs et sont facilement usinables.

Application : carters, boîtiers…NF EN 1562.

Préfixe

Fonte

EN-GJS-400-18

Rm (Mpa) résistance à la

rupture

V vermiculaire

N sans graphite

Y structure spéciale

L lamellaire

S sphéroïdale

MW malléable à cœur blanc

MB malléable à cœur noir

A%

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 21

4- Autres familles

Les fontes blanches présentent un aspect blanc à la cassure.

Fontes blanches (FB) : à base de perlite et de cémentite (carbures Fe3C), elles sont très

dures, fragiles, résistances aux frottements, à l’abrasion et aux températures élevées.

Difficiles à usiner, les applications sont limitées.

Fontes alliées : elles peuvent être à graphite lamellaire, sphéroidal ou blanches (EN GJN) et

sont destinées à des usages particuliers. Principaux éléments d’addition : nickel, cuivre,

chrome, molybdène et vanadium. Ces éléments contrôlent plus ou moins la formation du

graphite et développent des propriétés particulières (tableau 6).

Les fontes grises présentent un aspect gris à la cassure en raison de la présence du carbone

principalement sous forme de graphite. Leur fabrication nécessite des minerais à forte

teneur en silicium (1,5 à 3 p. 100) et une proportion de coke élevée. Elles ont une

température de fusion inférieure à celle de l’acier (1 200 °C pour les fontes grises contre

1 370 °C pour l’acier), ce qui permet de les mouler facilement. Très peu malléables et

ductiles, elles peuvent cependant être usinées.

On trouve aussi à la sortie des hauts-fourneaux les fontes hématites, dont la teneur en

soufre et en phosphore est très faible. Elles sont fabriquées à partir de minerai très pur :

l’hématite.

Les fontes phosphoreuses, comme les fontes Cleveland contenant de 1,4 à 2 p. 100 de

phosphore ou les fontes Thomas (1,6 à 2 p. 100 de phosphore), sont, au contraire, obtenues

à partir de minerais phosphoreux. Elles sont utilisées pour la fabrication de l’acier.

Ces éléments contrôlent plus ou moins la formation du graphite et développent des

propriétés particulières (tableau 6).

Principales fontes : teneur en %

Eléments

(teneur

en %)

Fontes à graphite

lamellaire

(EN-GJL)

Fontes à graphite

sphéroïdal

(EN-GJS)

Fontes malléables Fontes blanches

(EN-GJN) Fontes à cœur

noir (EN-

GJMB)

Fontes à cœur

blanc (EN-

GJMW)

Carbone

Silicium

Manganèse

Soufre

Phosphore

2,5-4,0

1,0-4,0

0,25-1,0

0,02-0,1

0,04-1,0

3,0-4,0

1,8-2,8

0,1-1,0

<0,03

<0,1

2-2 ,8

0,9-1,7

0,25-0,65

0,06-0,25

0,08-0,25

2,7-3,2

0,6-0,9

0,2-0,45

0,08-0,2

0,05-0,2

1,8-3,6

0,3-2,6

0,2-1,5

0,06-0,2

0,06-0,18

Structure

dominante de

la matrice

-ferrite

-perlite + ferrite

-perlite

-perlite + carbure

-ferrite

-perlite + ferrite

-perlite + bainite

-perlite + ferrite+

martensite

Ferrite ferrite -perlite

-cémentite Perlite pour la structure

perlitique MP

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 22

Tableau 5 : Composition chimique général des fontes ordinaires

Fontes alliées

Eléments

d’addition

matrice HB A% Propriétés caractéristiques

EN-GJL OU

EN-GJS

Ni-Mo

(Cr)

Bainite 250

350

1-2 Résistance mécanique

Résistance à l’usure

Capacité d’amortissement Ni-Cr

(Mo)

Martensite 350

500

< 1

Ni-Si ou

Ni-Si (Cr)

Austénite 120

250

12-25 Résilience

Résistance aux hautes et basses

températures

Si ou Si

(Mo)

Ferrite 180

340

1-10 Résistance à la corrosion et aux

déformations

EN-GJN (ex

« FB »)

Ni-Cr ou Cr (11 à

28%)

Carbures

Martensite

Austénite

450

800

- Résistance à l’abrasion et à l’oxydation

Cr

(28 à 34%)

Ferrite 200

500

- Résistance aux températures élevées et à

la corrosion

Tableau 6 : différentes classes de fontes alliées selon la matrice

Principales fontes

Désignation

normalisée

Re

(daN/mm2)

Rr

(daN/mm2)

E

(G Pa)

HB

dureté

A%

Fontes à graphite lamellaire

EN-GJL 150

EN-GJL 200

EN-GJL 250

EN-GJL 300

EN-GJL 350

EN-GJL 400

10

13

17

20

23

26

15

20

25

30

35

40

80

100

110

120

130

140

160

190

210

230

260

290

0 ,8

à

0,3

Fontes à graphite sphéroïdal

EN-GJS 400-15

EN-GJS 500-7

EN-GJS 600-3

EN-GJS 700-2

EN-GJS 800-2

EN-GJS 900-2

25

32

37

42

48

60

40

50

60

70

80

90

165

168

170

170

210

230

260

300

330

15

7

3

2

2

2

Cœur blanc

EN-GJMW 360-12

EN-GJMW 400-10

EN-GJMW 450-7

Fontes malléables

19

22

26

38

40

45

170

200

220

220

12

5

7

Cœur noir

EN-GJMB 350-10

Fontes malléables

20 35 150 10

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 23

Tableau 7 : caractéristiques mécaniques des fontes ordinaires

Tableau 8 : Métallurgie des fontes

EN-GJMB 380-18

EN-GJMB 450-6

EN-GJMB 550-4

EN-GJMB 650-2

25

27

34

43

38

45

55

65

170

150

180

210

240

18

6

4

2

NF EN 1563 NF EN 1562

Fontes « 1re fusion »

Fontes à graphite sphéroïdal EN-GJS

<< Fontes ductiles ou FGS >>

Fontes malléables EN-GJMW EN-GJMB

Fontes à graphite Fontes blanches EN-GJN (ou FB)

Fontes alliées Fontes non alliées

NF EN 1561

Fontes à graphite lamellaire << Fontes grises ou FGL >>

Alliages Fer + carbone + silicium

Famille des fontes à graphite nodulaire

CLASSE ET NUANCES DES ACIERS Page 24

CONCLUSION

Les aciers ordinaires : constituant plus de 90 % des aciers, ils contiennent des quantités

variables de carbone (1,8 % au maximum), de manganèse (de 0,3 à 0,5 %), de silicium (de 0,1

à 0,6 %), de soufre (0,05 % au maximum) et de phosphore (moins de 0,05 %). Ils entrent

dans la fabrication de machines, d’automobiles, dans la construction de bâtiments, de

coques de bateaux. Cependant, pour des applications particulières, on leur préfère les aciers

spéciaux.

Les aciers spéciaux : de composition spécifique, ils contiennent du vanadium, du molybdène

ou d’autres éléments, ainsi que de plus grandes quantités de manganèse, de silicium et de

cuivre que les aciers ordinaires. Lorsqu’aucun de ces éléments d’addition n’atteint 5 %, on

dit que l’acier est faiblement allié ; il est fortement allié dans le cas contraire. Les aciers

spéciaux sont multiples.

Les aciers au nickel : ils contiennent de 2 à 40 % de nickel. On emploie les aciers à faible

teneur dans les pièces de moteurs, car ils ont un bon pouvoir trempant et de bonnes

caractéristiques mécaniques. Lorsqu’il est en quantité suffisante, le nickel apporte à

l’acier une excellente résistance à la corrosion.

Les aciers au chrome : ils contiennent de 1 à 18 % de chrome ; ce dernier augmente la

résistance du matériau à la rupture, mais le fragilise également. Lorsque la teneur en

chrome est inférieure à 4 %, ces alliages sont utilisés comme aciers à roulement et à

outils.

Les aciers au nickel-chrome : parmi les aciers au nickel-chrome, on différencie les aciers

perlitiques (6 % de nickel et 2 % de chrome au maximum), employés en construction

mécanique, des aciers austénitiques, contenant davantage de chrome et de nickel, et

correspondant aux aciers inoxydables et à certains aciers réfractaires (résistants aux

températures élevées). Les aciers inoxydables sont souvent brillants. Par ailleurs, ils

résistent à la corrosion, cela étant dû à la présence de chrome (plus de 10 %). Certains

présentent une grande dureté, même soumis à des températures extrêmes pendant de

longues périodes. En raison de leur surface satinée, les architectes les utilisent souvent à

des fins décoratives. Les aciers inoxydables sont employés dans la fabrication des tuyaux,

des réservoirs des raffineries de pétrole, des avions, des capsules spatiales, des

ustensiles de cuisine (l’acier inoxydable n’altère pas la nourriture et se nettoie

facilement).

Autres aciers alliés : Les aciers au manganèse présentent une bonne résistance à

l’usure : on les emploie dans la fabrication de rails, par exemple. Les aciers au silicium

entrent dans la composition de ressorts ; ceux au tungstène servent d’aimants

permanents.