L’acier, ce matériau d’hier et de demain

L’acier a accompagné la Révolution industrielle. Au regard de ses propriétés et de l’évolution de ses techniques de production, il est très susceptible d’être l’un des matériaux de la transition écologique.

Définition et composition de l’acier

C’est un alliage métallique constitué majoritairement de fer et d’une faible quantité de carbone. C’est la quantité de carbone, comprise entre 0,02 % et 2 % de sa masse, qui détermine les propriétés de l’acier. Au-delà de 2% de carbone, l’alliage fer-carbone est de la fonte.

Les différents types d’acier

D’autres ferro-alliages sont ajoutés à l’acier pour lui conférer des propriétés propres à chaque usage : du chrome, du manganèse, du silicium, du titane, du vanadium. Ce sont les “aciers alliés”.

Ainsi distingue-t-on les “aciers non alliés” également appelés aciers au carbone, sans autre alliage que du fer avec du carbone, des aciers alliés.

Aciers non alliés ou aciers au carbone

Les “aciers non alliés” ou aciers au carbone se subdivisent en aciers à teneur en carbone faible, moyenne ou élevée.

• A faible teneur en carbone (0,3%) ou “acier doux” : dispose d’une grande plasticité et ductilité. Il est employé pour la création de pièces nécessitant d’être embouties ou d’avoir une forme assez fine.
• A moyen carbone (de 0,3 à 0,6%) est un compromis entre résistance et ductilité. Il sert principalement dans la production de pièces automobiles.
• A haute teneur en carbone (jusqu’à 0,6%) est le plus solide, et le moins flexible et propre à la coupe. Il sert, par exemple, à la fabrication de ressorts.

Aciers alliés

Cinq principaux matériaux permettent d’améliorer les propriétés de l’acier. Ils peuvent être utilisés en association. Il s’agit :

• du chrome, utilisé pour en augmenter la résistance, la dureté et la caractère inoxydable,
• du nickel, qui en augmente la trempabilité (sa capacité à durcir),
• du manganèse qui en renforce la résistance à l’abrasion,
• du silicium, qui en augmente le caractère inoxydable,
• du molybdène, qui en accroît également la trempabilité.

Les aciers alliés se subdivisent en aciers :

• faiblement alliés (la teneur en additif principal est inférieure à 2% et la somme de tous les adjuvants ne dépasse pas 3,5% ),
• moyennement alliés (la teneur en additif principal est de 2 à 8% et la somme de tous les adjuvants ne dépasse pas 12%)
• fortement alliés (la teneur en additif principal est supérieure à 8% et la somme de tous les adjuvants ne dépasse pas 55%).

Acier : de construction, inoxydable et thermorésistant

Ainsi, il existe toute une série d’aciers réalisés selon leur destination :

• les aciers de construction, qui eux-mêmes vont de l’acier de construction à usage général à l’acier à roulements ou à tôles en passant par celui à traitement thermique,
• les aciers à outils,
• mais également les aciers spéciaux, qui sont inoxydables, thermorésistants, résistants aux acides, aciers réfractaires ou encore magnétiques.

Ce matériau se prête à une grande adaptation selon les usages. Une adaptabilité toujours vouée à développements.

Quelle est l’origine de l’acier ?

La révolution industrielle anglaise

Dès le XVIe siècle, l’industrie maîtrise les deux grandes techniques de fabrication d’un acier de qualité, la “trempe” qui consiste à refroidir rapidement ce matériau dans l’eau afin de lui conférer sa solidité. Et la “cémentation”, procédé d’enrichissement de la couche superficielle de l’acier au moment où il refroidit, pour obtenir une dureté maximale tout en conservant ses propriétés de ductilité.

Au XVIIIe siècle, les Anglais en pleine révolution industrielle voient leurs forêts se réduire. Ils remplacent le charbon de bois par la houille. Et mettent au point le “puddlage”, procédé par lequel la fonte liquide est brassée et affinée. Cette fonte affinée est, selon sa teneur faible en carbone, de l’acier, ou si elle en est exempte, du fer.

Réaumur et Lavoisier

Mais ce sont tout de même des Français qui ont découvert la véritable nature de l’acier. La révolution industrielle en Angleterre en faisait un usage empirique. Réaumur découvrit qu’Aristote s’était trompé : non, ce matériau n’était pas une forme plus pure que le fer. Il mit à jour le lien entre fer, fonte et acier. A Lavoisier, Bethollet et Monge d’en établir toute la vérité scientifique.

Les hauts-fournaux

Aujourd’hui, la production de ce matériau se fait toujours principalement via des hauts-fourneaux : avec toujours le coke utilisé par les Anglais à la fois pour combustible et pour enrichissement du fer en carbone, le minerai de fer est rendu liquide par fusion ( à 1500°) où il se charge en carbone du coke. On obtient de la fonte, qu’il faut travailler.

Cette fonte liquide est affinée avec de l’oxygène, qui permet d’obtenir l’exact pourcentage de carbone voulu. Ensuite, direction l’aciérie en “poches-tonneaux” à même d’en maintenir la température pendant 48 heures. Cet acier de base est alors l’objet d’alliages. Puis il est refroidi et conditionné.

L’arc électrique

Un quart de l’acier produit au monde l’est aujourd’hui par la méthode de l’arc électrique, qui utilise des arcs électriques à courant élevé pour faire fondre la ferraille d’acier. Le chauffage à arc électrique a pour avantages un meilleur contrôle thermique et un plus grand ajout d’alliages.

Inconvénient, il ne permet pas de produire un matériau aussi dense. Aujourd’hui, le four à arc électrique est principalement utilisé pour le recyclage de l’acier.

Vive la bio inspiration !

Pourquoi nos os ne se brisent-ils pas, sauf à recevoir un choc violent ? Ils ne sont pas en acier, mais sont constitués de fibres nanométriques de collagène organisées en treillis, qui empêchent la propagation des fissures. Les scientifiques comparent la solidité de ce maillage en treillis à de la mie de pain.

Les métallurgistes ont étudié la possibilité d’inclure dans l’acier des alliages différents, qui lui confèrent une structure identique. Ainsi, les nano-particules de la combinaison de ces alliages bloque la propagation des fissures. Mieux, elle les résorbe.

Résultat, pour une moindre quantité d’alliages mieux associés, un acier tout aussi solide.

Acier et écologie

Dans son état actuel, l’acier a une durée de vie exceptionnelle de 120 ans. De surcroît, il se recycle quasiment à l’infini, sans altération de ses qualités. Inconvénient, les hauts-fourneaux actuels et la quantité d’eau utilisée pour le refroidir.

Au regard de sa grande fiabilité et de son aspect multiusages : construction, mobilité, matériel médial, etc. Il est l’un des plus anciens matériaux utilisé par l’Homme. Il pourrait accompagner une transition écologique bien comprise.