La diversité des alliages métalliques : l’exemple des aciers

De très nombreux secteurs industriels utilisent des alliages métalliques pour fabriquer leurs produits, quels qu’ils soient. L’étude de la microstructure des alliages métalliques et leur modélisation permettent d’améliorer les propriétés de ces derniers en maîtrisant mieux leur comportement sous contrainte. Ces améliorations continues des performances des matériaux métalliques offrent aux industriels la possibilité d’opter pour un matériau plutôt qu’un autre, selon ses propriétés, pour fabriquer des objets industriels. 

Parmi les alliages utilisés dans l’industrie, les aciers sont historiquement parmi les plus répandus. La France produit d’ailleurs de l’acier, entre 14 et 16 millions de tonnes par an depuis 2010. Malgré des difficultés en 2016 et 2017 en raison des prix propulsés à la baisse par le marché chinois – qui produit 50% de l’acier mondial -, l’hexagone a vu sa production repartir à la hausse depuis, pour revenir relativement rapidement au niveau de 2015.

Les aciers, stars des alliages

Les aciers sont les alliages métalliques les plus utilisés dans l’industrie. Ils offrent une variété de matériaux très diverse : Ferraille, acier galvanisé, aciers inoxydables… ces alliages, très utilisés dans les industries automobiles, ferroviaires ou aéronautiques, vient leurs propriétés évoluer selon leur composition et leurs conditions de fabrication.

Un acier est généralement constitué en majorité de fer, de carbone en faible quantité – moins de 2% -, et d’autres matériaux métalliques. La faible quantité de carbone présente dans les aciers explique que ces derniers sont considérés comme des alliages métalliques. La composition chimique des aciers permet de les distinguer en trois catégories.

Tout d’abord, les aciers non alliés, sont des aciers pour lesquels les teneurs en un certain nombre d’éléments ne dépassent pas les valeurs fixées par la norme NF EN 10020. Viennent ensuite les aciers inoxydables, qui contiennent au minimum 10,5 % de chrome et au maximum 1,2% de carbone. La dernière catégorie regroupe les autres aciers alliés qui ne répondent pas aux critères des deux premières catégories citées. 

Dans le domaine des aciers non alliés, on distingue les aciers de qualité répondant à des exigences spécifiques de ténacité, de formabilité ou de grosseur de grain : aciers magnétiques, aciers de décolletage par exemple. A côté, les aciers spéciaux non alliés, présentant une plus grande pureté, et qui présentent des propriétés leur permettant de répondre à des contraintes sévères.

Les méthodes de production

Il existe deux méthodes permettant de produire des aciers : les hauts fourneaux et les fours à arc électrique. Avec des hauts fourneaux, on réduit le carbone dans un convertisseur, en présence de minerai de fer. La fonte obtenue est oxydée sélectivement pour éliminer les composants indésirables, puis le mélange est au choix coulé, laminé pour obtenir des produits en acier. Ces aciers pourront être constitutifs d’objets comme les barres, les tôles ou les tuyaux.

La seconde méthode permet de produire, grâce à un arc électrique, de l’acier de recyclage et de l’acier électrique (acier avec des propriétés électriques). L’acier est fondu grâce à l’électricité circulant entre le matériau chargé et les électrodes. Cette méthode produit des quantités relativement faibles d’un acier connu pour ses propriétés de durabilité. Si la méthode par arc électrique ne permet pas de produire de l’acier en grandes quantités, elle est un outil de plus en plus utilisé pour sa capacité à traiter les déchets d’acier, et donc de les recycler.

Ainsi, la composition exacte de l’acier, mais également son mode de fabrication, vont déterminer la spécificité de ses performances. La modélisation de ces facteurs permet de développer des produits à base d’acier dont les paramètres de fonctionnement sont de mieux en mieux maîtrisés.