Qu'est-ce qui rend l'acier solide et durable ? Le secret réside dans sa composition chimique. Cet article examine les effets de 19 éléments différents, tels que le carbone, le silicium et le manganèse, sur les propriétés de l'acier. De l'amélioration de la solidité et de la ténacité à l'influence sur la soudabilité et la résistance à la corrosion, vous découvrirez comment chaque élément joue un rôle crucial. Plongez dans cet ouvrage pour comprendre comment la bonne combinaison d'éléments peut adapter l'acier à diverses applications, et pour vous familiariser avec l'ingénierie des matériaux.
Le rôle du carbone dans l'acier est un équilibre délicat. D'une part, en tant que teneur en carbone augmente, la limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'acier augmentent, mais d'un autre côté, sa plasticité et sa résistance aux chocs diminuent.
Par conséquent, la teneur en carbone doit être adaptée à l'utilisation prévue de l'acier. Lorsque la teneur en carbone dépasse 0,23%, les performances de soudage se détériorent considérablement. C'est pourquoi la teneur en carbone des aciers de construction faiblement alliés utilisés pour le soudage ne doit pas dépasser 0,20%.
En outre, une teneur excessive en carbone réduit la résistance de l'acier à la corrosion atmosphérique, ce qui rend l'acier à haute teneur en carbone vulnérable à la corrosion dans les environnements à l'air libre.
Toutefois, une teneur élevée en carbone n'est pas entièrement négative, car elle peut également améliorer la fragilité à froid et la sensibilité au vieillissement de l'acier.
Le silicium est ajouté comme agent réducteur et désoxydant au cours du processus de fabrication de l'acier, ce qui permet d'obtenir un acier contenant 0,15-0,30% de silicium. Lorsque la teneur en silicium dépasse 0,50-0,60%, il est considéré comme un élément d'alliage.
Le silicium peut augmenter de manière significative la limite d'élasticité, limite d'élasticitéIl est donc largement utilisé dans les aciers à ressorts, tels que le 65Mn et le 82B, qui contiennent 0,15-0,37% de silicium.
Ajout du silicium 1.0-1.2% aux trempé et revenu L'acier de construction peut augmenter sa résistance de 15-20%.
En outre, lorsqu'il est associé à des éléments tels que le molybdène, le tungstène et le chrome, le silicium améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation de l'acier et est utilisé pour produire de l'acier résistant à la chaleur.
L'acier à faible teneur en carbone contenant 1,0-4,0% de silicium présente une perméabilité magnétique extrêmement élevée et est utilisé pour la fabrication de pièces de rechange. tôles d'acier au silicium dans l'industrie électrique.
Toutefois, le silicium présente l'inconvénient de réduire les performances de soudage de l'acier.
Au cours du processus de fabrication de l'acier, le manganèse agit comme un bon désoxydant et désulfurant, et l'acier contient généralement 0,30-0,50% de manganèse.
Si plus de 0,70% de manganèse est ajouté à l'acier au carbone, on parle d'"acier au manganèse".
Ce type d'acier présente non seulement une ténacité adéquate, mais aussi des caractéristiques plus élevées. la résistance et la dureté que l'acier ordinaire. Le manganèse améliore la trempabilité et l'aptitude au travail à chaud de l'acier ; par exemple, la limite d'élasticité de l'acier 16Mn est supérieure de 40% à celle de l'acier A3.
L'acier contenant du manganèse 11-14% présente une résistance à l'usure extrêmement élevée et est utilisé pour des applications telles que les godets de pelleteuses et les revêtements de broyeurs à boulets. Toutefois, une teneur élevée en manganèse présente également des inconvénients.
Lorsque la teneur en manganèse est élevée, l'acier est plus susceptible d'être fragilisé par le revenu. Le manganèse favorise la croissance des grains, ce qui doit être pris en compte lors du traitement thermique. Lorsque la fraction massique de manganèse dépasse 1%, les performances de soudage de l'acier diminuent.
Le soufre est un élément nocif de l'acier qui provient du minerai de fabrication de l'acier et du coke de combustible. Dans l'acier, le soufre existe sous forme de FeS et forme des composés avec le Fe qui ont un point de fusion bas (985°C), alors que la température de travail à chaud de l'acier est généralement comprise entre 1150 et 1200°C.
Par conséquent, lors du travail à chaud, le composé FeS fond prématurément, provoquant la fissuration de la pièce, un phénomène connu sous le nom de "fragilité à chaud". Plus la teneur en soufre est élevée, plus la fragilité à chaud est importante, c'est pourquoi la teneur en soufre doit être contrôlée.
Pour l'acier de haute qualité, la teneur en soufre est inférieure à 0,02-0,03% ; pour l'acier de qualité, elle est inférieure à 0,03-0,045% ; et pour l'acier ordinaire, elle est inférieure à 0,055-0,07%. Dans certains cas, du soufre est ajouté à l'acier.
Par exemple, l'ajout de 0,08-0,20% de soufre à l'acier peut améliorer son aptitude au travail de coupe, ce qui donne ce que l'on appelle l'acier libre.acier de coupe.
Cependant, le soufre a également des effets négatifs sur les performances de soudage et peut réduire la résistance à la corrosion.
Le phosphore est introduit dans l'acier par le biais du minerai. D'une manière générale, le phosphore est un élément nocif dans l'acier. Bien qu'il puisse augmenter la résistance et l'élasticité de l'acier, le phosphore est un élément nocif dans l'acier. dureté de l'acierIl réduit considérablement sa plasticité et sa résistance aux chocs.
À basse température, le phosphore rend l'acier très cassant, un phénomène connu sous le nom de "fragilité à froid", qui détériore ses propriétés de travail à froid et de résistance à l'usure. soudabilité.
Plus la teneur en phosphore est élevée, plus la fragilité à froid est importante, c'est pourquoi le contrôle de la teneur en phosphore dans l'acier est strict.
L'acier de haute qualité a une teneur en phosphore inférieure à 0,025%, l'acier de qualité a une teneur en phosphore inférieure à 0,04% et l'acier ordinaire a une teneur en phosphore inférieure à 0,085%.
L'oxygène est un élément nocif de l'acier qui entre naturellement dans le processus de fabrication de l'acier. Malgré l'ajout de manganèse, de silicium, de fer et d'aluminium pour la désoxydation à la fin de la fabrication de l'acier, il n'est pas possible d'éliminer tout l'oxygène.
L'oxygène apparaît dans l'acier sous forme de FeO, MnO, SiO2, Al2O3 et autres inclusions, ce qui diminue la résistance et la plasticité de l'acier. Il a notamment un impact significatif sur résistance à la fatigue et la résistance aux chocs.
La ferrite a une faible capacité à dissoudre l'azote. Lorsque l'azote est sursaturé dans l'acier, il précipite sous forme de nitrures après une longue période ou après un chauffage à 200-300°C, ce qui augmente la dureté et la résistance de l'acier, mais réduit sa plasticité et provoque son vieillissement.
Pour éliminer la tendance au vieillissement, de l'Al, du Ti ou du V peuvent être ajoutés à l'acier fondu pour un traitement de fixation de l'azote, qui fixe l'azote sous forme d'AlN, de TiN ou de VN.
Le chrome améliore considérablement la résistance, la dureté et la résistance à l'usure de l'acier de construction et de l'acier à outils, et confère à l'acier une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion.
Par conséquent, le chrome est un élément d'alliage important pour l'acier inoxydable et l'acier résistant à la chaleur. Le chrome améliore également la trempabilité de l'acier et constitue un élément d'alliage essentiel.
Cependant, le chrome augmente également la température de transition fragile de l'acier, accroît sa fragilité au revenu et peut entraîner des difficultés dans le processus de transformation.
Le nickel augmente la résistance de l'acier tout en conservant une bonne plasticité et une bonne ténacité. Il présente une résistance élevée à la corrosion par les acides et les bases et résiste à la rouille et à la chaleur à des températures élevées. Toutefois, le nickel étant une ressource rare, d'autres éléments d'alliage sont souvent utilisés à la place de l'acier nickel-chrome.
Le molybdène affine la structure du grain de l'acier, améliore la trempabilité et la résistance à chaud, et maintient une solidité et une résistance suffisantes au fluage à haute température (lorsque la déformation se produit sous une contrainte à long terme à haute température).
Lorsqu'il est ajouté à l'acier de construction, le molybdène améliore ses propriétés mécaniques et réduit également la fragilité de l'acier. acier allié sous l'effet du feu. En outre, lorsqu'il est ajouté à l'acier à outils, le molybdène améliore sa dureté rouge.
Titane est un puissant désoxydant de l'acier. Il rend la structure interne de l'acier plus dense, affine sa structure granulaire, réduit la sensibilité au vieillissement et la fragilité à froid, et améliore les performances de soudage. L'ajout d'une quantité appropriée de titane à l'acier inoxydable austénitique Cr18Ni9 permet d'éviter corrosion intergranulaire.
Le vanadium est un excellent désoxydant de l'acier. En ajoutant 0,5% de vanadium à l'acier, la structure du grain est affinée et la solidité et la résistance sont améliorées. Les carbures formés par la combinaison du vanadium et du carbone améliorent la résistance à la corrosion par l'hydrogène à haute température et sous pression.
Le tungstène a un point de fusion élevé et une forte densité, ce qui en fait un élément d'alliage essentiel. Les carbures formés à partir de tungstène et de carbone ont une dureté et une résistance à l'usure élevées. L'ajout de tungstène à l'acier à outils améliore considérablement sa dureté rouge et sa résistance à la chaleur, ce qui permet de l'utiliser comme outil de coupe et pour la fabrication de pièces de rechange. matrices de forgeage.
Le niobium affine la structure du grain de l'acier et réduit sa sensibilité à la surchauffe et à la fragilité de la trempe, tout en améliorant sa résistance, mais en diminuant sa plasticité et sa ténacité.
L'ajout de niobium à un acier ordinaire faiblement allié améliore sa résistance à la corrosion atmosphérique et à la corrosion par l'hydrogène, l'azote et l'ammoniac à haute température. Le niobium améliore également les performances de soudage. Lorsqu'il est ajouté à l'acier inoxydable austénitique, le niobium empêche la corrosion intergranulaire.
Le cobalt est un métal rare et précieux qui est principalement utilisé dans les aciers spéciaux et les alliages, tels que l'acier résistant à la chaleur et les matériaux magnétiques.
L'acier WISCO, fabriqué à partir du minerai de Daye, contient souvent du cuivre. Le cuivre améliore la résistance et la ténacité, en particulier la résistance à la corrosion atmosphérique. L'inconvénient est que la fragilité à chaud est plus susceptible de se produire pendant le traitement à chaud. Lorsque la teneur en cuivre dépasse 0,5%, la plasticité est fortement réduite, mais lorsque la teneur en cuivre est inférieure à 0,50%, elle n'a pas d'impact sur la soudabilité.
L'aluminium est un désoxydant courant dans l'acier. L'ajout d'une petite quantité d'aluminium à l'acier permet d'affiner la structure du grain et d'améliorer la résistance aux chocs, comme le montre l'acier 08Al utilisé pour les tôles d'emboutissage. L'aluminium résiste également à l'oxydation et à la corrosion.
Combiné au chrome et au silicium, l'aluminium améliore considérablement la résistance à la corrosion à haute température. Cependant, l'aluminium a un impact négatif sur l'ouvrabilité à chaud, la performance de soudage et la performance de coupe de l'acier.
L'ajout d'une petite quantité de bore à l'acier permet d'améliorer la compacité et les propriétés de laminage à chaud de l'acier et d'augmenter sa résistance.
Les terres rares désignent les 15 lanthanides dont les numéros atomiques sont compris entre 57 et 71 dans le tableau périodique. Ces éléments sont tous des métaux, mais leurs oxydes sont similaires à la "terre", c'est pourquoi ils sont communément appelés "terres rares". L'ajout de terres rares à l'acier modifie la composition, la forme, la distribution et les propriétés des inclusions dans l'acier, améliorant ainsi diverses propriétés telles que la ténacité, la soudabilité et l'aptitude au travail à froid. L'ajout de terres rares à la fonte des socs améliore la résistance à l'usure.
Voir aussi
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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