Acier : définition, classification, composition chimique et application

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 05:26

Combien de fois entendons-nous le mot "acier". Et il est prononcé non seulement par les professionnels dans le domaine de la production métallurgique, mais aussi par les citadins. Aucune structure solide n'est complète sans acier. En fait, quand on parle de quelque chose de métal, on entend un produit en acier. Découvrons en quoi il consiste et comment il est classé.

Définition

L'acier est peut-être l'alliage le plus populaire, à base de fer et de carbone. De plus, la part de ces derniers varie de 0,1 à 2,14 %, tandis que la première ne peut être inférieure à 45 %. La facilité de production et la disponibilité des matières premières sont d'une importance décisive dans la distribution de ce métal à tous les domaines de l'activité humaine.

Les principales caractéristiques du matériau varient en fonction de sa composition chimique. La définition de l'acier en tant qu'alliage composé de deux composants, le fer et le carbone, ne peut être qualifiée de complète. Il peut s'agir, par exemple, de chrome pour la résistance à la chaleur et de nickel pour la résistance à la corrosion.

Composants requismatériaux offrent des avantages supplémentaires. Ainsi, le fer rend l'alliage malléable et facilement déformable dans certaines conditions, et le carbone rend la résistance et la dureté simultanément à la fragilité. C'est pourquoi sa part est si faible dans la masse totale d'acier. La détermination de la méthode de production de l'alliage a conduit à la teneur en manganèse dans celui-ci à hauteur de 1% et de silicium - 0,4%. Il y a un certain nombre d'impuretés qui apparaissent lors de la fusion du métal et dont on essaie de se débarrasser. Avec le phosphore et le soufre, l'oxygène et l'azote dégradent également les propriétés du matériau, le rendant moins durable et modifiant sa ductilité.

Classification

La définition de l'acier comme un métal avec un certain ensemble de caractéristiques, bien sûr, ne fait aucun doute. Or, c'est précisément sa composition qui permet de classer le matériau dans plusieurs directions. Ainsi, par exemple, les métaux se distinguent par les caractéristiques suivantes:

• sur les produits chimiques;
• structurel;
• par qualité;
• comme prévu;
• selon le degré de désoxydation;
• par dureté;
• sur la soudabilité de l'acier.

La définition de l'acier, son marquage et toutes ses caractéristiques seront décrites ci-dessous.

Marquage

Malheureusement, il n'y a pas de désignation mondiale de l'acier, ce qui complique grandement les échanges entre les pays. En Russie, un système alphanumérique est défini. Les lettres indiquent le nom des éléments et la méthode de désoxydation, et les chiffres indiquent leur nombre.

Composition chimique

Il y a deux façonsdivision de l'acier par composition chimique. La définition donnée par les manuels modernes permet de distinguer le carbone des matériaux alliés.

Le premier attribut définit l'acier comme étant à faible teneur en carbone, à teneur moyenne en carbone et à haute teneur en carbone, et le second - faiblement allié, moyennement allié et fortement allié. Un métal à faible teneur en carbone est appelé, qui, selon GOST 3080-2005, peut inclure, en plus du fer, les composants suivants:

• Carbone - jusqu'à 0,2 %. Il favorise le renforcement thermique, grâce auquel la résistance à la traction et la dureté sont doublées.
• Le manganèse en quantité allant jusqu'à 0,8 % entre activement dans une liaison chimique avec l'oxygène et empêche la formation d'oxyde de fer. Le métal résiste mieux aux charges dynamiques et se prête mieux au durcissement thermique.
• Silicium – jusqu'à 0,35 %. Il améliore les propriétés mécaniques telles que la ténacité, la résistance, la soudabilité.

Selon GOST, la définition de l'acier en tant qu'acier à faible teneur en carbone est donnée à un métal qui contient, en plus d'être utile, un certain nombre d'impuretés nocives dans la quantité suivante. C'est:

• Phosphore - jusqu'à 0,08% est responsable de l'apparition de fragilité à froid, altère l'endurance et la force. Réduit la dureté du métal.
• Soufre - jusqu'à 0,06 %. Cela complique le traitement du métal par pression, augmente la fragilité de la trempe.
• Azote. Réduit les propriétés technologiques et de résistance de l'alliage.
• Oxygène. Réduit la résistance et interfère avec les outils de coupe.

Il convient de noter que faible oules aciers bas carbone sont particulièrement doux et ductiles. Ils se déforment bien à chaud comme à froid.

La définition de l'acier au carbone moyen ainsi que sa composition est bien sûr différente du matériau décrit ci-dessus. Et la plus grande différence est la quantité de carbone, qui varie de 0,2 à 0,45 %. Un tel métal a une faible ténacité et ductilité ainsi que d'excellentes propriétés de résistance. L'acier au carbone moyen est couramment utilisé pour les pièces utilisées sous des charges de puissance normales.

Si la teneur en carbone est supérieure à 0,5 %, cet acier est appelé acier à haute teneur en carbone. Il a une dureté accrue, une viscosité et une ductilité réduites et est utilisé pour emboutir des outils et des pièces par déformation à chaud et à froid.

En plus d'identifier le carbone présent dans l'acier, la détermination des caractéristiques du matériau est possible grâce à la présence d'impuretés supplémentaires dans celui-ci. Si, en plus des éléments ordinaires, du chrome, du nickel, du cuivre, du vanadium, du titane, de l'azote à l'état chimiquement lié sont délibérément introduits dans le métal, il est alors appelé dopé. De tels additifs réduisent le risque de rupture fragile, augmentent la résistance à la corrosion et la résistance. Leur nombre indique le degré d'alliage de l'acier:

• faiblement allié - contient jusqu'à 2,5 % d'additifs d'alliage;
• moyen allié - de 2,5 à 10%;
• fortement allié - jusqu'à 50 %.

Qu'est-ce que cela signifie ? Par exemple, l'augmentation de toutes les propriétés a commencé à être fournie comme suit:

1. Ajout de chrome. positifaffecte déjà les caractéristiques mécaniques à hauteur de 2 % du total.
2. L'introduction de nickel de 1 à 5% augmente la marge de viscosité en température. Et réduit la fragilité à froid.
3. Le manganèse fonctionne de la même manière que le nickel, bien que beaucoup moins cher. Cependant, cela contribue à augmenter la sensibilité du métal à la surchauffe.
4. Le tungstène est un additif de formation de carbure qui offre une dureté élevée. Parce qu'il empêche la croissance des grains lorsqu'il est chauffé.
5. Le molybdène est un additif coûteux. Ce qui augmente la résistance à la chaleur des aciers rapides.
6. Silicium. Augmente la résistance aux acides, l'élasticité, la résistance au tartre.
7. Titane. Peut favoriser une structure à grains fins lorsqu'il est combiné avec du chrome et du manganèse.
8. Cuivre. Augmente les propriétés anticorrosion.
9. Aluminium. Augmente la résistance à la chaleur, l'entartrage et la ténacité.

Structure

Déterminer la composition de l'acier serait incomplet sans étudier sa structure. Cependant, ce signe n'est pas constant, et peut dépendre d'un certain nombre de facteurs, tels que: le mode de traitement thermique, la vitesse de refroidissement, le degré d'alliage. Selon les règles, la structure en acier doit être déterminée après recuit ou normalisation. Après recuit, le métal est divisé en:

• structure pro-eutectoïde - avec excès de ferrite;
• eutectoïde, composé de perlite;
• hypereutectoïde - avec des carbures secondaires;
• ledeburite - avec des carbures primaires;
• austénitique - avec un réseau cristallin à faces centrées;
• ferritique - avec un réseau cubique centré sur le corps.

La détermination de la classe d'acier est possible après normalisation. Il est compris comme un type de traitement thermique, qui comprend le chauffage, le maintien et le refroidissement ultérieur. Ici, on distingue les nuances de perlite, austénitique et ferritique.

Qualité

La détermination des types est devenue possible en termes de qualité de quatre manières. C'est:

1. Qualité ordinaire - ce sont des aciers avec une teneur en carbone allant jusqu'à 0,6 %, qui sont fondus dans des fours à foyer ouvert ou dans des convertisseurs utilisant de l'oxygène. Ils sont considérés comme les moins chers et leurs caractéristiques sont inférieures aux métaux des autres groupes. Un exemple de tels aciers sont St0, St3sp, St5kp.
2. Qualité. Les principaux représentants de ce type sont les aciers St08kp, St10ps, St20. Ils sont fondus en utilisant les mêmes fours, mais avec des exigences plus élevées pour les processus de charge et de production.
3. Les aciers de haute qualité sont fondus dans des fours électriques, ce qui garantit une augmentation de la pureté du matériau pour les inclusions non métalliques, c'est-à-dire une amélioration des propriétés mécaniques. Ces matériaux incluent St20A, St15X2MA.
4. Particulièrement de haute qualité - sont fabriqués selon la méthode de la métallurgie spéciale. Ils sont soumis à une refusion sous laitier électroconducteur, qui assure la purification des sulfures et des oxydes. Les aciers de ce type incluent St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Acier de construction

C'est peut-être le signe le plus simple et le plus compréhensible pour le profane. Il existe des aciers de construction, à outils et spéciaux. Structurel est généralement divisé en:

1. Les aciers de construction sont des aciers au carbone de qualité courante et représentatifs de la série faiblement alliée. Ils sont soumis à plusieurs exigences dont la principale est la soudabilité à un niveau suffisamment élevé. Un exemple est StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Les matériaux cimentés sont utilisés pour fabriquer des produits qui fonctionnent dans des conditions d'usure de surface et subissent simultanément des charges dynamiques. Il s'agit notamment des aciers à faible teneur en carbone St15, St20, St25 et certains alliages: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGR, St30KhGT.
3. Pour l'estampage à froid, des feuilles laminées provenant d'échantillons à faible teneur en carbone de haute qualité sont utilisées. Comme St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Aciers traitables améliorés grâce au processus de trempe et de revenu élevé. Il s'agit des aciers à moyenne teneur en carbone (St35, St40, St45, St50), au chrome (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), ainsi qu'au chrome-silicium-manganèse, au chrome-nickel-molybdène et au chrome-nickel.
5. Les ressorts à ressort ont des propriétés élastiques et les conservent longtemps, car ils ont un degré élevé de résistance à la fatigue et à la destruction. Ce sont des représentants au carbone des aciers St65, St70 et alliés (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Les échantillons à haute résistance sont ceux qui ont deux fois la résistance des autres aciers de construction, obtenus par traitement thermique et composition chimique. Dans la masse, ce sont des aciers moyennement carbonés alliés, par exemple St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Roulement à billesles aciers se caractérisent par une endurance particulière, un degré élevé de résistance à l'usure et de résistance. Ils sont tenus de répondre aux exigences d'absence de divers types d'inclusions. Ces échantillons comprennent des aciers à haute teneur en carbone avec une teneur en chrome dans la composition (StSHKh9, StSHKh15).
8. Les définitions d'acier automatiques sont les suivantes. Il s'agit d'échantillons destinés à être utilisés dans la fabrication de produits non critiques tels que boulons, écrous, vis. Ces pièces de rechange sont généralement usinées. Par conséquent, la tâche principale consiste à augmenter l'usinabilité des pièces, ce qui est obtenu en introduisant du tellure, du sélénium, du soufre et du plomb dans le matériau. De tels additifs contribuent à la formation de copeaux cassants et courts lors de l'usinage et réduisent les frottements. Les principaux représentants des aciers automatiques sont désignés comme suit: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Les aciers résistants à la corrosion sont des aciers alliés avec une teneur en chrome d'environ 12%, car il forme un film d'oxyde sur la surface qui empêche la corrosion. Les représentants de ces alliages sont St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Les échantillons résistants à l'usure sont utilisés dans les produits qui fonctionnent sous frottement abrasif, choc et forte pression. Un exemple est les pièces de voies ferrées, de concasseurs et de machines à chenilles, telles que St110G13L.
11. Les aciers résistants à la chaleur peuvent travailler à haute température. Ils sont utilisés dans la fabrication de tuyauteries, de pièces détachées de turbines à gaz et à vapeur. Il s'agit principalement d'échantillons à faible teneur en carbone fortement alliés, qui contiennent nécessairement du nickel, qui peut contenir des additifs sous la formemolybdène, nobium, titane, tungstène, bore. Un exemple serait St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Résistants à la chaleur sont particulièrement résistants aux dommages chimiques dans l'air, le gaz et le four, les environnements oxydants et de carburation, mais présentent un fluage sous des charges sévères. Les représentants de ce type sont St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Acier à outils

Dans ce groupe, les alliages sont divisés en matrices, pour les outils de coupe et de mesure. Il existe deux types d'aciers pour matrices.

• Le matériau pour le formage à froid doit avoir un degré élevé de dureté, de résistance, de résistance à l'usure et de résistance à la chaleur. Mais avoir une viscosité suffisante (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Le matériau de formage à chaud a une bonne résistance et ténacité. Avec résistance à l'usure et résistance à l'échelle (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Les aciers à outils de mesure, en plus de la résistance à l'usure et de la dureté, doivent être dimensionnellement stables et faciles à rectifier. Calibres, agrafes, gabarits, règles, balances, tuiles sont fabriqués à partir de ces alliages. Un exemple serait les alliages StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Déterminer les groupes d'acier pour les outils de coupe est assez simple. De tels alliages doivent avoir une capacité de coupe et une dureté élevée pendant longtemps, même lorsqu'ils sont soumis à la chaleur. Ceux-ci incluent des outils en carbone et en alliage, ainsi queaciers rapides. Ici, vous pouvez nommer les représentants éminents suivants: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Désoxydation de l'alliage

La détermination de l'acier par le degré de désoxydation implique ses trois types: calme, semi-calme et bouillant. Le concept même fait référence à l'élimination de l'oxygène de l'alliage liquide.

L'acier silencieux n'émet presque pas de gaz lors de la solidification. Cela est dû à l'élimination complète de l'oxygène et à la formation d'une cavité de retrait sur le dessus du lingot, qui est ensuite coupé.

Dans l'acier semi-calme, les gaz sont partiellement libérés, c'est-à-dire plus que dans l'acier calme, mais moins que dans les aciers bouillants. Il n'y a pas de coquille ici, comme dans le cas précédent, mais des bulles se forment au sommet.

Les alliages en ébullition libèrent une grande quantité de gaz lorsqu'ils se solidifient, et en coupe transversale, il suffit de remarquer simplement la différence de composition chimique entre les couches supérieure et inférieure.

Dureté

Ce concept fait référence à la capacité d'un matériau à résister à une pénétration plus dure. La détermination de la dureté est devenue possible grâce à trois méthodes: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Selon la méthode Brinell, une bille en acier trempé est enfoncée dans la surface meulée de l'échantillon. En étudiant le diamètre de l'empreinte, déterminez la dureté.

Méthode de détermination de la dureté de l'acier selon Rockwell. Il est basé sur le calcul de la profondeur de pénétration d'une pointe conique en diamant de 120 degrés.

Selon Vickers dans l'échantillon de testune pyramide tétraédrique en diamant est enfoncée. Avec un angle de 136 degrés sur les faces opposées.

Est-il possible de déterminer la nuance d'acier sans analyse chimique ? Les spécialistes dans le domaine de la métallurgie sont capables de reconnaître la nuance d'acier par une étincelle. La détermination des constituants du métal est possible lors de sa transformation. Ainsi, par exemple:

• L'acier CVG a des étincelles cramoisies foncées avec des points et des touffes jaune-rouge. Aux extrémités des fils ramifiés, des étoiles rouge vif apparaissent avec des grains jaunes au milieu.
• L'acier P18 est également identifié par des étincelles cramoisies foncées avec des touffes jaunes et rouges au début, cependant, les fils sont droits et n'ont pas de fourches. Aux extrémités des faisceaux, il y a des étincelles avec un ou deux grains jaune clair.
• Les nuances d'acier ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 ont des étincelles jaunes avec des étoiles claires. Et des grains rouges sur les branches.
• L'acier U12F se distingue par des étincelles jaune clair avec des étoiles denses et grandes. Avec plusieurs touffes rouges et jaunes.
• Les aciers 15 et 20 ont des étincelles jaune clair, de nombreuses fourches et étoiles. Mais peu de touffes.

La détermination de l'acier par une étincelle est une méthode assez précise pour les spécialistes. Cependant, les gens ordinaires ne peuvent pas caractériser le métal en examinant uniquement la couleur de l'étincelle.

Soudabilité

La propriété des métaux à former un joint sous un certain impact s'appelle la soudabilité des aciers. La détermination de cet indicateur est possible après détection de la teneur en fer et en carbone.

On pense qu'ils sont bien reliés par soudureaciers à faible teneur en carbone. Lorsque la teneur en carbone dépasse 0,45 %, la soudabilité se dégrade et s'aggrave lorsque la teneur en carbone est élevée. Cela se produit également parce que l'inhomogénéité du matériau augmente et que des inclusions de sulfure se détachent aux joints de grains, ce qui entraîne la formation de fissures et une augmentation des contraintes internes.

Les composants d'alliage agissent également, aggravant la connexion. Les plus défavorables pour le soudage sont des éléments chimiques tels que le chrome, le molybdène, le manganèse, le silicium, le vanadium, le phosphore.

Cependant, le respect de la technologie lors du travail avec des aciers faiblement alliés offre un bon pourcentage de soudabilité sans l'utilisation de mesures spéciales. La détermination de la soudabilité est possible après avoir évalué un certain nombre de qualités de matériaux importantes, notamment:

• Vitesse de refroidissement.
• Composition chimique.
• Vue de la cristallisation primaire et des changements structurels pendant le soudage.
• La capacité du métal à former des fissures.
• Tendance du matériau à se durcir.