P5 classif acier 2013 a

Ecole Polytechnique de Tunisie

Procédés II - partie 5
Classification et désignations
des aciers

Année universitaire 2012 - 2013

1

Diagramme Fe -C

2
Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013

Diagramme Fe -C

3

Diagramme Fe -C

- Le diagramme Fe-C renseigne sur le comportement
d’un alliage Fe-C.

- Les aciers usuels contiennent des éléments d’alliage
et des impuretés (addition involontaire, éléments non éliminés en cours
d’élaboration) incorporés dans la structure.

- Si la quantité d’éléments ajoutés est importante,
elle peut dépasse la limite de solubilité et d’autres
phases vont se former et conditionner les propriétés
de l’acier.

4

Effets des éléments d’alliage

Les différents éléments d’alliage (ou d’addition)
peuvent être divisés en 3 grandes classes :

- Les éléments alphagènes
- Les éléments gammagènes
- Les élements carburigènes

Addition (élément d'addition) : Eléments chimique (métallique ou non) ajouté en quantité modérée
dans la composition d'un alliage pour modifier ses propriétés métallurgiques.

Alliage (élément d'alliage) : Elément chimique (métallique ou non) ajouté en quantité relativement
importante dans la composition d'un alliage pour optimiser ses propriétés métallurgiques.

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Les éléments alphagènes

 contribuent à l’extension du domaine de la
solution solide α et réduisent celui de γ.

 En général, ils ont la même structure
cristalline que α : cubique centrée.

 Exemples : Cr, Nb, Si,…

Alphagène (élément alphagène) : Elément d'alliage dont la présence accroit le domaine
des températures d'existence d'une phase solide appelée «alpha» .

Acier ferritique : Acier dont la structure est essentiellement constituée de ferrite à
température ambiante.
6

Les éléments gammagènes

 diminuent AC1 et étendent le domaine de la
solution solide γ (austénite).

 abaissent la température de transformation
α => γ (AC3).

Austénite : Solution solide d'un ou plusieurs éléments (carbone, manganèse, nickel,…)
dans le fer gamma de structure cubique à face centrée.

Acier austénitique : Acier dont la structure est essentiellement constituée d'austénite à
température ambiante.
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AC1 –AC3

Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement
suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé
pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage
(Ac1>A1 et Ac3>A3).

8

AC1 –AC3

suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé
pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage
(Ac1>A1 et Ac3>A3).

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Les éléments carburigènes
 Ce sont les éléments qui ont une forte tendance,
s’ils sont présents en quantité suffisante à former
avec le carbone des carbures.

Exemple : V, Ti, Nb, W, Mo, Cr….

Les éléments connus pour être peu ou pas
carburigènes sont Ni, Si, Cu, N, Mn.

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Rôle des différents éléments d’alliage
Tendance à former Rôle pour la
Rôle durcissant
Eléments des carbures résistance au fluage
C fort à modéré - Modéré à faible
Mn modéré à fort modéré faible
P modéré nul modéré
S négatif nul nul
Si modéré négatif faible
Ni modéré nul faible
Cr fort fort faible
Mo fort fort fort
W faible fort fort
V fort fort fort
Ti fort fort modéré
Co négatif nul faible
Al faible négatif négatif
Zr faible fort -
Cu modéré nul -
Nb fort fort modéré

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Chaque élément a une fonction principale :
Eléments Fonction principale
C Contrôle le niveau de résistance
Mn Durcit, améliore la trempabilité et la ductilité
P Améliore la résistance à la corrosion
S Améliore l’usinabilité mais diminue la ductilité
Si Intervient comme désoxydant
Ni Durcissant par solution solide, améliore la ténacité à basse T°
Cr Durcissant par formation de carbures (résistance à l’usure), améliore la
résistance à l’oxydation.
Mo Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud
W Améliore la résistance au fluage et à l’usure
V Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud
Ti Améliore la résistance à l’usure (carbures de Ti très durs)
Co Améliore la résistance à haute température, mais diminue la trempabilité
Al Contrôle le grossissement de grains à haute température
Zr Diminue la tendance à la déformation par vieillissement
Cu Améliore la résistance à la corrosion
Nb Peu utilisé

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La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer
plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut
(fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient
critique et se propage.
La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette
propagation. S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.

La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la
propagation d’une fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus
précisément, on définit la ténacité comme étant la quantité d’énergie
qu’un matériau peut absorber avant de casser.
Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus
grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement
élastique comme le verre.

Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible
d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite
d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.

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- Les aciers destinés à des utilisations particulières
contiendront les éléments qui les rendront
performants pour de telles utilisations.

- Désignation des Aciers : sert à donner des
références aux aciers de manière à pouvoir
identifier les éléments principaux qui les
constituent.

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Normes de désignation des aciers

- Il existe plusieurs normes de désignation :
Française (Normes AFNOR)
Allemande (DIN)
Américaine (ASTM)
etc,…

- Normes AFNOR : désignations différentes
d’une nuance d’acier à une autre.

AFNOR : Association Française de Normalisation

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Désignation selon les règles AFNOR

Aciers d’usage général non alliés :

- Non prévus pour subir des traitements thermiques.

- Lettre A suivie d’un nombre indiquant la résistance à la
traction en daN/mm2.

Exemple : A 50

-Lettre E suivie d’un nombre indiquant la limite d’élasticité en
daN/mm2, et éventuellement un chiffre indiquant la qualité.

Exemple : E 36-3 3 soudable

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Aciers au carbone

- Prévus pour TT

- Lettres CC suivies d’un nombre qui indique la teneur
approximative en carbone en centième.
Exemple : CC 15 => 0,15%C.

-Lettres XC suivies d’un nombre qui indique la teneur en
carbone en centième, ceci lorsqu’il s’agit d’aciers de tolérances
sur les compositions plus serrées.
Cette désignation est parfois suivie d’une ou 2 lettres qui donnent
d’autres renseignements sur l’acier.
Exemples : XC 20 S (acier à 0,2% en C, soudable),
XC 48 TS (acier à 0,48% en C pour trempe superficielle).

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Aciers alliés

-Aciers faiblement alliés :
teneur en éléments d’alliage (tous) inférieure à 5%

-Aciers fortement alliés :
teneur en éléments d’alliage (au moins un) supérieure à
5%

•Acier faiblement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par
ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel tous les éléments d'alliage ont
une teneur inférieure à 5% par convention.

•Acier fortement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par
ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel au moins un élément d'alliage a
une teneur supérieure à 5% par convention.

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Aciers faiblement alliés

La désignation comprend :

- Un nombre égal à la teneur moyenne en carbone en centième.

- Une ou plusieurs lettres désignant les principaux éléments
d’alliages dans l’ordre des teneurs décroissantes.

- Un nombre indiquant la teneur moyenne de l’élément
correspondant à la première lettre et parfois un second nombre
qui indique la teneur du 2ème élément.
Ces nombres sont à diviser par un facteur multiplicateur qui
dépend de l’élément d’addition.

Exemple : 30NC11
0,3% Carbone – 11/4% Ni – quelques % de Cr.

19

Facteur multiplicateur

Elément Symbole Facteur
multiplicateur
Aluminium A 10
Chrome C 4
Cobalt K 4
Manganèse M 4
Molybdène D 10
Nickel N 4
Plomb Pb 10
Silicium S 4
Soufre F 10
Titane T 10
Tungstène W 10
Vanadium V 10

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Aciers fortement alliés

- La désignation est précédée par la lettre Z

- La suite étant identique à celle des aciers
faiblement alliés sauf que le % de l’élément
correspondant à la première lettre est réel (non
divisé par le facteur multiplicateur).

Exemple : Z 200 C12
2% carbone, 12% chrome

21

Aciers à outils

Deux désignations sont utilisées :

- Notation conventionnelle relative aux aciers alliés.

- Notation à 4 chiffres :

Exemples : 4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02
4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02

22

Notation à 4 chiffres
1er chiffre
1 non alliés pour travail à froid
2 alliés pour travail à froid
3 alliés pour travail à chaud
4 rapides

2ème chiffre
1 ou 4 1=W 4 = Mo
2 travail à froid – conditions spécifiques
3 travail à chaud – conditions spécifiques.

3 ème chiffre : Elément d’alliage 4 W
6 V
7 Co

4ème chiffre : Différentes nuances du même groupe

Exemples : 4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02
4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02

23

d’utilisation :
Classes d’aciers

On définit un certain nombre de classes d’aciers
suivant les domaines d’utilisation.

-Acier de construction
-Acier pour traitement thermique (TT)
-Acier à outils

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Aciers de construction
- Non destinés aux traitements thermiques
- Utilisés dans la construction mécanique classique,
les ossatures, les pylônes, les engins de levage,…
- Ce sont en général des aciers contenant :
* Teneurs modérées en C (< 0,3%).
* du Manganèse (Mn)
* un peu de Si (< 0,5%)
* et/ou de l’Al (<0,1%).

- Doivent répondre particulièrement à 2 exigences :
* Bonne ductilité
* Bonne soudabilité

Exemple : CC11, CC18, 14M4, 22M5,…
25

Aciers pour TT

- Aciers au Carbone (XC08 => XC90) et aciers
faiblement alliés.

- Utilisés pour toutes les pièces sollicitées
mécaniquement (travaillant à T ambiante).

- Amélioration des propriétés assurée par les
traitement thermiques.

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Exemples d’acier pour TT

Acier Domaine d’application
Aciers au manganèse Chaudronnerie soudée, ressorts,….
Aciers au silicium Engrenages, villebrequins, arbres de
transmission, barres de torsion
Aciers au chrome Bielles, essieux, attelages
Aciers au Cr-Mo Arbres de roues, de turbine, engrenages,
canons de fusils
Aciers au Ni-Mo Boulonnerie vapeur
Aciers au Cr-Ni-Mo Marteaux pilons, blocs à matrice
Aciers au Ni-Cr-Mo Tuyauteries vapeur, gros engrenages

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Aciers à outils (1)

-Aciers pour la fabrication des outils.
- Propriétés particulièrement requises :
* Bonne résistance à chaud
* Grande dureté à froid
* Résistance à l’usure
* Bonne trempabilité.

-Teneur en C élevée (0,6 à 1,4) et pouvant atteindre 2%.
-Les résistances à l’usure et à chaud sont assurées par la
présence de carbures (éléments carburigènes : V, Mo, W et Cr).

- Il existe 3 types d’aciers à outils :
* pour travail à froid (20°C)
* pour travail à chaud
* aciers rapides.

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Aciers rapides

Les aciers rapides sont des aciers spéciaux de haute
performance, qui offrent :
• Une grande dureté jusqu’à une température de
500°C
• Et une grande résistance à l’usure (grâce à des éléments
d’alliage tels que le tungstène, le molybdène, le vanadium et le chrome, qui
permettent de former des carbures de grande dureté).

• Pour améliorer la résistance à chaud, il est possible
d’ajouter du cobalt.
L'appelation acier rapide (AR), ou ARS pour « acier rapide supérieur », désigne les aciers à outils ayant la
capacité de conserver leur trempe à haute température. Ils sont notamment employés pour la découpe à haute
vitesse (foret, …), d'où le terme « rapide », que l'on retrouve dans la désignation en anglais : high speed steel,
abrégé HSS.

Les aciers rapides sont généralement utilisés pour leurs propriétés de dureté élevées (> 60 HRC) et leur
niveau de résilience acceptable (propriété de résistance au choc).
Ils présentent en général une forte résistance à l'usure du fait de leur fort alliage et de la présence significative
d'éléments producteurs de carbures durs tels que le tungstène et le vanadium.

29

Aciers pour travail à froid

Aciers pour outils travaillant à la température
ambiante sans réchauffage notable.

2 catégories :

- Aciers non alliés

- Aciers alliés

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Aciers pour travail à froid - aciers non alliés

- Aciers au C (jusqu’à 1,4%) contenant du Mn et du Si.

- Les plus anciens aciers à outils (20% des aciers à outils actuels).

- peuvent avoir une très bonne dureté, mais ils ont une
faible trempabilité (d’où leur emploi essentiellement pour les
pièces de sections réduites)

- Faciles à usiner.

- Utilisation en petite mécanique (outillage à main ou agricole,
coutellerie).

31

Aciers pour travail à froid – aciers alliés (1)

- Contiennent des éléments d’alliage tels que Mo, V, Mn, Cr, W

- % en C est élevé et peut atteindre 2%

- Meilleure trempabilité par rapport aux aciers non alliés

- Plus grande résistance à l’usure (présence de carbures alliés plus durs
que Fe3C).

- Traitements thermiques faciles

- Pratiquement insensibles aux tapures

- Classifiés d’après leurs propriétés

32

Aciers pour travail à froid – aciers alliés (2)

- Classification d’après leurs propriétés :

Résistants à l’usure :
100C2, 130C3, Z200CD12, …

Très haute résistance à l’usure :
Z200C12, Z200CD12, Z200CDV5

Résistants aux chocs :
46S7, 45SCD6, 35NC15, 42CD4

-Utilisation : outils de coupe de faibles ou moyennes
dimensions sans échauffements ni chocs
notables (forets, tarauds, alésoirs, lames de cisaille,…)

33

Aciers pour travail à chaud

- Ces aciers sont actuellement au nombre de 18.

- Ils doivent travailler à des températures très variables,
allant de 200°C (outillage de forge ou de cisaillage) jusqu’à 600
ou 700°C (outillage de presse, de filage, moulage à chaud).

-Ces aciers risquent :

- Rupture mécanique en service

- Déformation par fluage à chaud

- Usure à chaud.

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Tapure

Défaut grave prenant la forme d'une fissure
débouchante ou incluse.
-Dans les alliages, l'apparition de tapures est presque toujours liée à un processus
d'échauffement ou de refroidissement.
-Les contraintes thermiques très élevées qui accompagnent un réchauffement brutal ou un
refroidissement trop rapide ne peuvent être atténuées que par déformation plastique du
métal.
-Si les caractéristiques mécaniques du métal ne se prêtent pas à une telle déformation, des
tapures apparaissent. Par exemple, un acier dur tapera plus facilement qu'un acier doux.
- Lorsqu'il y a des inclusions, c'est généralement sur elles que s'amorcent les tapures.
-Tapures majeures intéressent une partie importante de la pièce tapée. Elles rendent
inutilisables les produits où elles apparaissent.

-Tapures mineures n’ont qu'une incidence locale. Elles accroissent la fragilité des pièces.
-Les tapures de trempe constituent un cas particulier très important des tapures de
refroidissement. Elles sont évitées par des opérations de chauffage et de refroidissement
accompagnant la trempe.
Alain LE DOUARON

35

Tapure - exemple
Examen métallographique sur une lame de couteau en acier damas sandwich
présentant un défaut en long sur toute sa longueur.
La micrographie x 40 après légère attaque au Nital ( acide nitrique dilué à 3% dans de
l'alcool éthylique ) fait apparaître les différentes couches à partir du bord de la lame.
Par contre le tranchant rapporté n'a pas réagi à l'attaque, en revanche il présente sur
toute sa longueur un défaut de type tapure de trempe.

Tapures:
"Défaut provenant d’un mode
de refroidissement mal adapté
à la forme de la pièce ou à la
nuance de l’acier."
Dans ce cas de figure il n'y
avait pas eu de normalisation
ni de recuit avant la trempe.
On vois bien ici que ce n'est
pas une mauvaise soudure du
damas mais bien l'acier du
centre qui a été "déchiré" par
les tensions internes...
La conclusion: Toujours faire
des normalisations et un bon
recuit, et ces défauts ne
devraient plus apparaitre.
36

glossaire
Allotropique (transformation allotropique) : Transformation au chauffage ou au refroidissement
d'une variété cristalline d'un métal ou alliage en une autre variété cristalline. Par exemple, le fer
alpha cubique centré se transforme en fer gamma cubique à faces centrées lors d'un chauffage à
912°C.
A1 : Température de transformation des alliages fer-carbone répondant aux critères suivants : -
c'est la température à partir de laquelle l'austénite commence à apparaître au cours d'un
échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite disparaît totalement
au cours d'un refroidissement très lent.

A3 : Température de transformation des alliages fer-carbone hypoeutectoides (jusqu'à 0,77%C)
répondant aux critères suivants : - c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement
austénitique au cours d'un échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite
commence à se transformer en ferrite au cours d'un refroidissement très lent.
suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer
que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage (Ac1>A1 et Ac3>A3).

Ar : Ar définit les températures de transformation des alliages fer-carbone avec un refroidissement
suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour
indiquer qu'il y a une diminution de la température de transformation avec la vitesse de
refroidissement (Ar1<a3).<="" p="">
Acm : Température matérialisant la solubilité maximale du carbone dans l'austénite des alliages fer-
carbone. Acm existe uniquement pour les alliages hypereutectoides (entre 0,77 et environ 2%C) et
répond aux critères suivants : c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement
austénitique au cours d'un échauffement très lent ; c'est la température à partir de laquelle il
apparait de la cémentite dans l'austénite au cours d'un refroidissement très lent.

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glossaire

Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible d’un
matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d’élasticité du
matériau, pendant une durée suffisante.

La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une
fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité comme
étant la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber avant de casser.
Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande
ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre.

La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement
sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par
la déformation plastique, devient critique et se propage.
La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette propagation.
S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.

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P5 classif acier 2013 a

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