Propriétés et utilisations de l'acier

Les structures faites principalement ou en grande partie du matériau connu sous le nom de acier pourraient bien être les ajouts les plus importants de l'humanité au paysage de la Terre.

Si toute la vie sur Terre était téléportée ailleurs et qu'un groupe d'extraterrestres enquêtait sur les objets les plus durables et les plus imposants qu'ils trouveraient qui n'avaient clairement pas résultant de processus géologiques naturels contiendraient de l'acier: gratte-ciel, ponts, machinerie lourde et essentiellement tout ce qui est nécessaire pour résister à de fortes forces sur temps.

Vous savez peut-être d'où « vient » l'acier et ce qu'il « est ». À tout le moins, vous savez certainement à quoi cela ressemble, se sent et peut-être même sonne dans certains cas.

Si vous considérez l'acier comme un métal, c'est naturel, mais l'acier est en fait classé comme un alliage ou un mélange de différents métaux. Dans ce cas, presque tout le métal primaire est du fer, quelle que soit la recette spécifique, mais comme vous le verrez, même de petites quantités de carbone peuvent modifier considérablement les propriétés de l'acier.

Préparez-vous à en apprendre beaucoup sur ce que l'on peut à juste titre appeler le matériau le plus important de l'histoire de la construction et de l'ingénierie,

Comme vous le savez sans doute pour avoir vu, entendu et été en contact avec votre part de matériel, l'acier est avant tout connu pour sa durabilité, sa dureté et sa ténacité. Dans certains cas, il est également réputé pour sa brillance.

Ce que ces qualités traduisent en termes physiques quantifiables est un point de fusion très élevé (environ 1 510 °C, plus élevé que la plupart des métaux; le cuivre, par exemple, est presque 500 degrés plus froid) et un très haute densité (7,9 g/cm³, près de huit fois celle de l'eau).

L'acier est globalement plus dur et plus résistant que son soi-disant élément parent, le fer. C'est pourtant extrêmement flexible et connu pour son haute résistance à la traction (c'est-à-dire sa capacité à résister aux charges ou forces appliquées, sans perdre sa forme).

La résistance à la traction de tous les types d'acier est élevée par rapport à d'autres matériaux, mais varie considérablement d'un type d'acier à l'autre. Au bas de l'échelle, les valeurs sont d'environ 290 N/mm²; dans le haut de gamme, la résistance à la traction atteint 870 N/mm².

• Un millimètre carré (mm²) n'est que d'un millionième de mètre carré. Cela signifie que l'acier peut avoir une résistance à la traction de 870 millions de newtons par mètre carré, soit une masse de 88,8 millions de kilogrammes, ou 195,7 millions de livres (97 831 tonnes), sur Terre !

Si vous avez déjà utilisé un poêle en fonte, vous avez peut-être remarqué à quel point il semblait remarquablement robuste (ou du moins lourd). Lorsque le fer est le seul ou presque le seul composant de quelque chose comme une casserole, il est plus cassant que l'acier.

Mais pour la plupart des températures de cuisson quotidiennes (qui semblent « chaudes », mais sont loin d'être semblables à celles d'un four de fusion), le la différence fonctionnelle entre le fer et l'acier peut ne pas être évidente, même si elles ont généralement l'air un peu différent.

La plupart de l'acier produit aujourd'hui est simplement appelé Acier Carbone, ou alors acier au carbone ordinaire, même s'il peut contenir des métaux en plus du fer et du carbone, tels que le silicium et le manganèse.

La quantité de variation de l'acier peut ne pas sembler significative à la surface, car le carbone ne représente jamais plus de 1,5% de l'acier. Cependant, lorsque vous considérez que cette petite fraction peut elle-même varier d'un facteur 10 (0,15 % à 1,5 %), vous commencez à apprécier l'impact physique que cela peut avoir.

L'acier peut être divisé en différentes catégories en utilisant un certain nombre de critères. Celles utilisées par les scientifiques (qui se préoccupent souvent plus des propriétés des choses que de les utilisant) sont souvent différents de ceux dont la principale préoccupation est les types de produits finis fabriqués à partir de acier.

Mécanique: Comme indiqué, la résistance à la traction de l'acier peut varier entre 290 N/m² et 870 N/m². L'ajout de carbone à l'acier le rend plus dur en raison de la façon dont les atomes de carbone se dispersent en fait eux-mêmes parmi les atomes de fer d'une manière qui rend les dislocations de matériau très difficiles, formant "grains" de Fe₃C. Cela rend également l'acier plus fragile que le fer, de sorte que la conversion du fer en acier, malgré les avantages manifestes de ce dernier, ne se fait pas à un coût pratique nul.

L'acier qui est classé sur la base de ses propriétés mécaniques commence par "Fe", et ce qui suit est 1) E et la valeur de la limite d'élasticité minimale est que l'acier est classé principalement sur cette base_, ou 2) juste la valeur de la résistance à la traction s'il s'agit du principal caractère de classification. (_Contrainte de rendement est une mesure de la résistance à la déformation mécanique.)

• Par exemple, "Fe 290" est un acier avec une résistance à la traction de 290 N/mm2. tandis que "Fe E 220" est de l'acier avec une limite d'élasticité de 220 N/mm².

Chimique: Les aciers au carbone simples qui varient de 0,06 % de carbone à 1,5 % de carbone sont divisés en les types suivants en fonction de leur teneur en carbone spécifique.

1. Acier doux mort — jusqu'à 0,15

   pour cent

   carbone 2. Acier à faible teneur en carbone ou doux — 0,15

   pour cent

   à 0,45

   pour cent

   carbone 3. Acier au carbone moyen — 0,45

   pour cent

   à 0,8

   pour cent

   carbone 4. Acier à haute teneur en carbone — 0,8

   pour cent

   à 1,5

   pour cent

   carbone

Acier inoxydable est un type d'acier qui tire son nom de sa résistance à oxydation (rouille) ainsi qu'à corrosion, comme celle qui pourrait résulter de l'application d'un acide fort. Il a été inventé en 1913 par le métallurgiste britannique Harry Brearley, qui a découvert qu'en ajoutant le métal chrome à l'acier en grande quantité (13 %), le chrome réagirait avec l'oxygène de l'air pour former un film protecteur auto-renouvelable autour de l'objet.

Un certain nombre de types d'acier inoxydable sont utilisés aujourd'hui :

• Aciers inoxydables martensitiques contenir 12 à 14

  pour cent

  chrome et 0,12 à 0,35

  pour cent

  carbone et ont été les premiers aciers inoxydables développés. Ces aciers sont magnétique et peuvent être durcis en les traitant à la chaleur. Ceux-ci sont utilisés dans les pompes hydrauliques, les pompes à vapeur, les pompes à huile et les vannes, entre autres équipements d'ingénierie.
  * Aciers inoxydables ferritiques ont une plus grande quantité de chrome (16 à 18

  pour cent) et environ 0,12

  pour cent

  carbone. Ces aciers sont plus résistants à la corrosion que les aciers inoxydables martensitiques, mais ont une faible capacité à être durcis à l'aide de la chaleur. Ces aciers inoxydables sont principalement utilisés dans les opérations de formage et de pressage en raison de leur haute résistance à la corrosion.
  * Aciers inoxydables austénitiques contiennent une grande quantité de chrome et de nickel; de nombreuses variations dans la composition chimique précise existent, mais les plus largement utilisées consistent en 18

  pour cent

  chrome et 8

  pour cent

  nickel, avec du carbone réduit au minimum. Ils résistent très bien à la corrosion au prix de ne pas pouvoir être traités thermiquement dans une mesure appréciable. Ces aciers sont utilisés dans les arbres de pompe, les cadres, les revêtements et les composants de tous les jours tels que les vis, les écrous et les boulons.

Vous avez déjà vu comment les alliages peuvent améliorer un matériau déjà utile, ou peut-être plus précisément, le rendre plus spécialisé. Comment ce processus fonctionne-t-il au niveau moléculaire ?

La plupart des métaux purs, bien que beaucoup semblent durs, sont en fait trop mous en eux-mêmes pour être utilisés dans la fabrication lourde. (Une exception notable est l'industrie automobile, où l'acier est principalement non allié et contient du fer presque pur.) Mais le mélange d'autres métaux peut produire des résultats exceptionnels.

Par example, nickel et chrome sont résistants à la corrosion et sont connus pour leur inclusion dans les instruments chirurgicaux en acier inoxydable. Si un alliage avec une perméabilité magnétique plus élevée est souhaité pour une utilisation dans des aimants en acier, cobalt est un excellent choix.

Manganèse est utilisé dans des projets à plus grande échelle tels que les passages à niveau lourds en raison de sa résistance et de sa dureté considérables. Pour terminer, molybdène est capable de maintenir sa résistance à des températures inhabituellement élevées, même selon les normes des métaux, et est utilisé dans des applications de précision telles que les pointes de forage à grande vitesse.

• Lorsque des ions plus gros sont ajoutés au réseau d'acier existant, cela perturbe le réseau de telle manière qu'il rend plus difficile le glissement des "couches" adjacentes, ce qui augmente la résistance de l'acier dureté. L'ajout d'atomes plus petits peut avoir le même effet via une forme différente de perturbation mécanique de la structure du réseau cristallin du fer.

L'une des nombreuses propriétés souhaitables de l'acier est qu'il est respectueux de l'environnement. Cela n'a peut-être pas toujours l'air de cette façon avec de grandes structures en acier qui parsèment le ciel dans des endroits souvent déplaisants, mais sa grande la durabilité signifie que, par exemple, il ne se dégradera pas en quelque chose de toxique et ne s'infiltrera pas dans les eaux souterraines et autres domaines. Les sources d'énergie renouvelables (par exemple, l'énergie solaire, éolienne et hydroélectrique) font largement appel à l'acier inoxydable.

• L'acier est désormais le matériau le plus recyclé sur Terre; bien qu'il soit lourd, ses propriétés magnétiques le rendent plus facile à récupérer dans les cours d'eau et autres lieux que d'autres formes de déchets. Il peut réduire le CO₂ émissions.

Par rapport à d'autres matériaux, l'acier nécessite une faible quantité d'énergie lors de la construction d'éléments en acier relativement légers, et il peut être façonné sous diverses formes. Il donne une meilleure forme et un meilleur tranchant que le fer qui est utilisé pour fabriquer des armes.

Comme indiqué, l'acier est utilisé dans l'industrie automobile. Pensez au nombre de voitures sur les routes de votre propre ville aux heures de pointe, toutes avec des carrosseries, des portes, des moteurs, des suspensions et des intérieurs en grande partie en acier.

• En moyenne, 50 pour cent d'une voiture est en acier.

Outre son rôle dans les véhicules de tourisme, l'acier est utilisé dans la production de véhicules et de machines agricoles.

La plupart des appareils électroménagers des maisons modernes, tels que les réfrigérateurs, les téléviseurs, les éviers, les fours, etc. sont en acier « ordinaire ». De plus, ceux qui aiment passer du temps dans la cuisine sont parfaitement conscients du rôle de l'acier inoxydable dans la coutellerie fine. Les aciers inoxydables se prêtent notamment à la facilité d'entretien d'un environnement stérile, ce qui est l'une des qualités qui en font un bon choix pour les instruments chirurgicaux et les implants.

Parce qu'il se prête à la formation facile de soudures, l'acier, plus que de simplement maquiller l'invisible cadre des structures modernes, s'est imposée à part entière dans des exemples de architecture. L'acier dit "doux" est utilisé pour la construction de bâtiments au quotidien, en particulier dans les zones où les vents violents sont une caractéristique du climat local.

L'acier lui-même est un alliage et, par définition, n'a pas de formule chimique ou moléculaire, quel que soit son type. Il est néanmoins utile d'examiner certaines des réactions importantes qui se produisent dans le processus de fabrication de l'acier.

La combustion du fer et de la ferraille d'acier, ou dans certains cas de la ferraille d'acier seule, implique un certain nombre de réactions différentes. Certains des plus importants sont :
2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5O₂ → 4P₅O₂
2 Mn + O₂ → 2MnO
Le CO (gaz carbonique) est un déchet, mais le reste est ajouté à la chaux pour poursuivre le processus de fabrication de l'acier en formant scories.