01 Matériau ACIER [PDF]

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« Constructions Métalliques » Matériau Acier Laurence DAVAINE [email protected]

Sommaire 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid

5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles 2

De l’âge du fer au IIIème millénaire De -1700 avant J.C. à la fin du moyen âge : Des couches alternées minerai de fer (FeO + S + P) et de bois étaient chauffées ensemble jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour obtenir du fer brut, prêt à être forgé. Au XVème siècle : La génération des premiers "hauts fourneaux" de près de 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide (Tp>1250°C), la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, tuyau) par moulage. Fonte = 94 à 96% de fer, 3 à 4% de carbone, 1 à 2% d’autres éléments (phosphore, soufre)

A l’état solide, la fonte est fragile et ne peut pas être travaillée (forgeage) sans diminuer le % de C, P et S. C’est le procédé d’affinage. De l’air ambiant (oxygène) soufflé sur la fonte chauffée, provoque la combustion du carbone contenu avec dégagement gazeux (CO, CO2) . 3

Fer, fonte, fer puddlé, acier doux Vers 1790 : Le brassage énergique de la fonte liquide avec un oxydant (puddlage) est le premier procédé d’affinage. On obtient du fer puddlé. Au XIXème siècle : L’amélioration des procédés d’affinage en utilisant des fours (Bessemer, Thomas puis Martin) a permis un développement spectaculaire à l’échelle industrielle. En quelques décennies, l'acier a permis d'équiper l'industrie et a remplacé le fer. -

Convertisseur Thomas (~1880 jusqu’en 1960): air enrichi en oxygène, insufflé dans la masse du mélange de fonte liquide et de chaux => acier doux, ductile et soudable

-

Convertisseur à l’oxygène pur (depuis 1960) soufflé sur la surface de la fonte en fusion (à 1600 °C)

-

Four Siemens-Martin: affinage très lent, meilleur contrôle de l’oxydation (addition d’éléments d’alliage Mn, Si, Ti, Nb, V) et d’ajouter des ferrailles au mélange « fonte+chaux », mais faible productivité et forte consommation d’énergie (procédé abandonné) => acier à grains fins, très facile à souder

Après affinage, quelque soit le procédé, la limite d’élasticité vaut fy  240 MPa 4

Le haut fourneau moderne • Jusqu’à 70 m de haut et 14 m de diamètre • Jusqu’à 10 000 tonnes de fonte par jour

Minerai de fer (oxydes de fer emprisonnés dans une gangue de roches stériles) & Coke

Air insufflé à 1250 °C Laitier

Fonte

5

Désoxydation du minerai de fer dans le haut fourneau • •

Energie consommée : 60 MJ/T Emission de gaz à effet de serre (CO2) : 1500 kg/T

200 °C

Fe2O3 + CO 900 °C 2 FeO + CO2 1000 °C

Air insufflé à 1250 °C

FeO + CO 1250 °C Fe + CO2

Laitier (impuretés résiduelles, moins denses que la fonte)

(93 à 94 % de fer, 3 à 4 % de C, 1 à 2 % de Si, S, P,… ) Fonte 6

Désulfuration dans le wagon-poche

Injection de carbure de calcium Le soufre se fixe dans le laitier CaC2 + S => CaS + 2 C

7

fonte liquide à 1250°C

La fonte en fusion est versée sur un lit de ferrailles dans le convertisseur.

94 à 96% de Fe 3 à 4% de C 1 à 2% de P, S, Si

Le convertisseur à oxygène (affinage)

Les éléments indésirables (carbone, silicium, phosphore, soufre) contenus dans la fonte sont brûlés en insufflant de l’oxygène pur.

Les résidus, moins denses, sont récupérés (laitier d’acierie).

acier liquide à 1600°C Fer presque pur < 0,85 % de C (mécanique) < 0,3 % de C (construction) < 0,03 % de P, S, Si

L’acier liquide est versé dans la « poche de coulée ». 8

L’acier est 100% recyclable !

60 % de la production européenne

40 % de la production européenne 9

De l’acier liquide aux produits semi-finis 75 % de la production mondiale, 90 % en Europe occidentale, 94 % en France.

10m x 2m x 0.45m

10

La coulée continue

Poches d’acier liquide sur tourniquet pour alimentation en continu Répartiteur & lingotière Zones de refroidissement et de solidification

Brames

Extraction & oxycoupage des « brames » Ici 2 « files » de coulée 11

La brame oxycoupée en sortie de coulée continue

http://www.construiracier.fr/ 12

Le laminage à chaud des produits semi-finis Entre 800 et 1200 °C

70% de la production d’acier

30% de la production d’acier 13

Cylindres lisses

Cylindres à cannelures

14

Le laminage à chaud des tubes Schéma de principe du perceur oblique

15

Le laminage à chaud des tubes Laminage (tube sans soudure)

16

Le laminage à chaud des tubes Réduction de section

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Traitements après le laminage à chaud • Re-Laminage à froid pour diminuer l’épaisseur des produits plats et obtenir des bobines ou des feuillards à emboutir ou à plier, noirs ou revêtus (zinc, étain, laques,…) • Formage à froid Etirage (pour obtenir des fils par exemple) Pliage,… => Écrouissage de l’acier (dépassement de fy) d’où une ductilité et un allongement à la rupture réduit • Traitements thermiques - Recuit de normalisation - Recuit de détensionnement - Trempe - Revenu 18

Fabrication à froid des tubes - Formage

19

Fabrication à froid des tubes - Soudage

20

Fabrication à froid des tubes Soudage hélicoïdal à partir de bobines

21

La micro-structure de l’acier Etat du fer pur en fonction de la température

22

La micro-structure de l’acier Association fer-carbone

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La micro-structure de l’acier Le grain

Ferrite CC

Austénite CFC si température > 720°C

Espaces interstitiels et solubilité du C Les atomes C de plus petite taille s’insèrent plus facilement dans le réseau cristallin CFC que dans le réseau CC. Ils le déforment mais ne se substituent pas aux atomes Fe.

L’acier est une multitude de grains (cristaux) d’orientations et de tailles différentes. Un grain comporte plusieurs milliers de mailles d’atomes. La cémentite (Fe3C) et le graphite sont extérieurs au réseau cristallin et se localisent aux joints de grains. 24

Fer  (CC) 1390 °C Fer  (CFC)

910 °C

Fer α (CC)

Acier de construction courant : structure ferrito-perlitique 0 °C 25

Points critiques : A1 = 728°C Apparition des premiers cristaux d’austénite A2 = 769°C Disparition du magnétisme du fer α

A3 = f (%C) Austénisation complète

Acier de construction courant : structure ferrito-perlitique

A4 = f (%C) Début de liquéfaction

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Les traitements thermiques Principe : exploiter les transformations de la structure cristalline provoquée par la température, en jouant sur ses vitesses de variation, pour donner à l’acier de meilleures caractéristiques mécaniques

A1=728°C, apparition des premiers cristaux d’austénite (CFC) dans la ferrite (CC) A3= f (%C) de 728°C à 906°C, austénisation complète

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Les traitements thermiques • Recuit de recristallisation (600 à 700 °C sans austénitisation) Le laminage ou les traitements mécaniques (pliage) peuvent écrouir l’acier, ce qui le rend moins ductile et donne une orientation privilégiée aux grains. Ce recuit permet de rétablir le réseau cristallin normal de ferrite. • Recuit de normalisation (900°C avec début d’austénitisation) Il permet d’améliorer la finesse des grains de ferrite, et donc les caractéristiques mécaniques de l’acier. • Trempe (réservée aux aciers avec %C < 0,15 %, sinon formation de martensite) Idem que le recuit de normalisation, mais avec un maintien sur le palier à 900°C jusqu’à austénitisation complète, puis un refroidissement brutal accéléré. => Réseau cristallin distordu => Dureté très élevée mais perte de ductilité ! • Revenu (échauffement 550 à 600 °C, palier, puis refroidissement à l’air calme) Il permet d’atténuer la perte de ductilité de la trempe et de retrouver partiellement un réseau cristallin normal. => La martensite se transforme en cémentite localisée au droit des joints de grains. 28

Le laminage contrôlé

Température

ETATS DE LIVRAISON DES ACIERS DILLINGER HÜTTE GTS

 recr.

 non recr.

Ac3

Ar3 + ACC Ar1

Trempe à l'eau suivie d'un revenu

 avec normalisat ion

Technique ment équivalent

Laminage Normal (N ou NE)

refroidisse ment à l'air

refroidisse ment accéléré

Laminage Thermomécanique (M)

Trempe + revenu (Q + T)

Temps

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Sommaire 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid

5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles 30

Les propriétés de l’acier de construction • Propriétés physiques (à température ambiante) -

Masse volumique : ρ = 7850 kg/m3 Module d’élasticité : E = 210 000 MPa Coefficient de Poisson : ν = 0.3 Module de cisaillement : G = E / 2(1+ν) = 81 000 MPa Coefficient de dilatation thermique : α = 12 .10-6 /°C

• Propriétés chimiques - Composition chimique - Soudabilité et CEV

• Propriétés mécaniques - Limite d’élasticité fy - Limite de rupture (ou résistance à la traction) fu - Ténacité K

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Composition chimique Impuretés indésirables Phosphore

P

Grossissement du grain, d’où une fragilité à froid Baisse de soudabilité

Soufre

S

Diminution de la résilience Baisse des possibilités de forgeage

Azote

N

Diminution de la résilience Augmentation de la sensibilité au vieillissement

Eléments d’alliage (volontairement ajoutés) Cuivre, Nickel, Chrome

Cu, Ni, Cr

Meilleure résistance à la corrosion

Aluminium

Al

Affinage du grain

Vanadium Manganèse Silicium

V Mn Si

Augmentation des caractéristiques mécaniques Meilleure ductilité

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Classification des aciers (EN 10020)

d’après la composition chimique Aciers non alliés (pour lesquels aucun élément n’atteint les teneurs suivantes) Aciers alliés (pour lesquels au moins un élément atteint les teneurs suivantes)

Al 0.30% Ni 0.30% Nb 0.06%

Si 0.6% Cr 0.30% V 0.06%

Mn 1.80% Cu 0.40% Ti 0.05%

Mo 0.08%

Aciers inoxydables qui contiennent au moins 10.5% Cr et au plus 1.2% C

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La valeur de carbone équivalent CEV La composition chimique permet d’apprécier qualitativement l’élaboration d’un acier et sa soudabilité. L’augmentation du % de carbone entraîne : • une plus grande dureté • une plus grande résistance à la traction fu (+70 MPa pour +0,1% de C) • une plus grande aptitude à la trempe • une soudabilité dégradée

Pour tenir compte des autres composants ayant aussi un effet négatif sur la soudabilité, l’Institut International de Soudure (IIW) définit un indice global, le CEV :

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Propriétés mécaniques – Essai de traction Mesure continue de l’évolution d’une longueur matérialisée entre repères sur le corps de l’éprouvette (EN 10002), en fonction de l’effort de traction appliqué

35

Propriétés mécaniques – Essai de traction

(0,85% de carbone) + 70 MPa si + 0,1%C

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Propriétés mécaniques – Essai de traction σ = F / S0

Plastique

Elastique

OA (ou OA’) : domaine élastique B

Re : limite d’élasticité apparente (fin du domaine élastique)

C

Rm B’ A

Rp0,2

C’

Re A’

AB : domaine plastique avec déformation homogène (écrouissage) Rm : résistance à la traction (début de striction)

E

BC : domaine plastique avec déformation non homogène due à la striction

1

O 0,2%

Pas toujours facile à déterminer (en particulier si il n’y a pas de palier d’écoulement plastique) ! Définition conventionnelle : Rp0,2

εy

Allongement réparti Ar

εu Allongement de striction Az

Allongement total à la rupture A (%) = (Lu – L0) / L0

εr

Coefficient de striction Z : Allongement ε = ΔL / L0 (en %)

Z (%) = (S0 – Su) / S0 Point C : rupture de l’éprouvette

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Propriétés mécaniques – Essai de traction

Appellation et notations de l’Eurocode 3 • Re (ou Rp0,2) = Limite d’élasticité fy • Rm = Limite de rupture (ou résistance à la traction) fu

Exigences de ductilité (Eurocode 3) pour les aciers de construction • •

•

Rapport fu / fy ≥ 1,10 Allongement à la rupture er ≥ 15 % Rapport des déformations eu / ey ≥ 15

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Loi de comportement idéalisée de l’acier Calcul élastique

Calcul plastique

Comportement infiniment élastique

Comportement réel Comportement plastique parfait

 = E e (loi de Hooke) E = 210 000 MPa

Compression

Compression

Traction

Traction

La résistance élastique d’une section se définit par l’atteinte de fy sur une des fibres de la section, alors que la résistance plastique se définit par l’atteinte de fy sur toutes les fibres de la section. 39

Variation de fy avec l’épaisseur laminée

Plus l’épaisseur de la tôle est importante, plus le refroidissement est ralenti, entraînant un grossissement du grain et une baisse de fy.

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Tôles avec propriétés Z 1.

Spécifier des propriétés dans le sens de l’épaisseur selon l’EN 10164 pour prévenir le risque d’arrachement lamellaire après soudage

2.

Inspection (avant)/après fabrication

3.

La caractéristique de référence est la striction Z, mesurée lors d'un essai de traction sur éprouvette cylindrique prélevée dans le sens de l'épaisseur du produit (travers court).

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Essai de flexion par choc – Essai CHARPY Mesure de l’énergie nécessaire, apportée par choc avec un mouton pendule, pour rompre une éprouvette normalisée entaillée (EN 10045), en J/cm² CHOC (5 m/s) 10 mm

10 mm

Eprouvette Charpy normalisée à entaille en V (45°)

2 mm 55 mm

Georges Charpy, 1865-1945

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Courbe de transition – Qualité d’acier Energie de rupture par choc (KV) ou Résilience KCV (= KV/0.8 en J/cm²) DUCTILE

27 J Texp (°C)

0 FRAGILE

Température de transition TK27 Qualité d’acier

KV

Tp de transition

J2

≥ 27 J

-20 °C

K2, M, N

≥ 40 J

-20 °C

ML, NL

≥ 27 J

-50 °C

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Courbe de transition – Qualité d’acier Effet de la taille du grain sur la température de transition

44

Choix d’une qualité d’acier (EN 1993-1-10) Le choix dépend : - de la température minimale à laquelle la structure est soumise - de l’épaisseur des pièces - des sollicitations (cycliques, vitesse de chargement, …) => du domaine d’application des pièces :

éléments soudés ? contraintes de traction ? variation de charges fréquentes ? (par ex. ponts roulants, ponts-rails) autres éléments ? (par ex. bâtiments) 45

Choix d’une qualité d’acier (EN 1993-1-10) Epaisseur maximale admissible (en mm) vis-à-vis de la rupture fragile

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Sommaire 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid

5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles 47

Désignation internationale des aciers (EN 10027)

S

xxx xxxx

Structural Qualité

Nuance limite d’élasticité fy (en MPa)

•

Énergie de rupture par choc KV ou l’état de livraison N, M, Q,…

•

Divers : W, +N, +Z25, …

Par exemple : S 235 JR ; S 355 K2 +N ; S 460 M Z35 48

Norme EN 10025 – Aciers de construction EN 10025 : Produits laminés à chaud en acier de construction EN 10025-1 : Conditions techniques générales de livraison EN 10025-2 : Aciers de construction non alliés (d’usage général) S185/S235/S275/S355 en qualités JR, J0, J2, K2 EN 10025-3 : Aciers soudables à grains fins à l’état normalisé/normalisant S275/S355/S420/S460 en qualités N, NL EN 10025-4 : Aciers soudables à grains fins obtenus par laminage thermomécanique S275/S355/S420/S460 en qualités M, ML EN 10025-5 : Aciers patinables (résistance améliorée à la corrosion atmosphérique) S235W/S355W ou WP en qualités J0, J2, K2 EN 10025-6 : Aciers à l’état trempé - revenu S460/S500/S550/S620/S690/S890/S960 en qualités Q/QL/QL1 Norme harmonisée publiée en mars 2005, conformément à la Directive Produits de Construction. Attestation de conformité : marquage CE. 49

Sommaire 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid

5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles 50

Tôles fortes (t ≥ 6 mm) formées à chaud

DILLINGER HÜTTE GTS

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Poutres Reconstituées Soudées (PRS) À partir de tôles fortes • Section ouverte ou fermée • Symétrique ou non

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Les poutrelles laminées marchandes (dimensions en mm)

IPN à ailes inclinées

IPE à ailes à faces parallèles

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Les poutrelles laminées marchandes

http://sections.arcelormittal.com/library/product-catalogues.html http://outils.construiracier.com/v3/pont-ouvrage-art/boite-outils.htm

54

Les poutrelles laminées marchandes HEB (profils H type B)

HEM (profils H type M)

55

Les poutrelles laminées marchandes UPN à ailes inclinées

UAP à ailes à faces parallèles

56

Les poutrelles laminées marchandes

57

Les tubes laminés marchands

58

Produits longs formés à froid

59

Produits plats formés à froid tôles nervurées, bacs aciers, tôles à larmes, … Pour couverture, support d’étanchéité rapporté, fabrication de panneaux sandwich, … Bardage

Plancher à coffrage perdu

Plancher à coffrage collaborant 60

Les câbles – Toron hélicoïdal (monotoron) NF EN 10138 « armatures de précontrainte » (fils, torons, barres) NF EN 10264 « fils et produits tréfilés en acier, pour câbles »

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Les câbles torsadés et les câbles clos

62

Les pièces moulées

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Les pièces moulées Passerelle Simone de Beauvoir

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Sommaire 1. Elaboration de l’acier 2. Propriétés de l’acier a. physiques b. chimiques c. mécaniques 3. Aspects normatifs 4. Produits sidérurgiques utilisés en construction métallique a. Tôles fortes b. Poutrelles laminées c. Laminage à froid

5. Imperfections des produits sidérurgiques a. Tolérances géométriques b. Contraintes résiduelles 65

Tolérances géométriques de fabrication Rectitude initiale des poutrelles

L

Tolérance de fabrication (EN 1090-2) :

L/750 max

Hypothèse des modèles de vérification de l’EC3 :

L/1000 max 66

Tolérances géométriques de fabrication Forme des sections Définies par des normes de fabrication (EN 10034, EN 10056, EN 1090,…) Exemple de la section d’un IPE 300 : b = 150 mm +4/-2 mm h = 300 mm +4/-2 mm tf = 10,7 mm +2,5/-1,5 mm

Défaut d’équerrage:

Défaut de symétrie :

Défaut de planéité :

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Contraintes résiduelles Poutrelles laminées Contraintes internes auto-équilibrées, résultant du procédé de fabrication, et présentes dans la pièces avant son utilisation dans la structure • Origine thermique :

∬σrésiduelle dA = 0 Les parties qui refroidissent en premier sont comprimées.

• Origine mécanique : formage à froid (cintrage par exemple) • Recuit de détensionnement : passage au four de la pièce finale pour atténuer les contraintes résiduelles

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Contraintes résiduelles Poutrelles laminées Origine thermique :

IPE

Compression sur les bords libres des semelles

HEA 69