La présente invention concerne un acier de construction présentant une haute résistance à la fatigue et, jusqu'à une teneur en carbone bien définie, une bonne soudabilité, et qui est résistant à la corrosion par l'air, cet acier étant notamment destiné à la réalisation de constructions et ossatures, d'ouvrages terrestres ou hydrauliques, de véhicules, de machines et éléments de machines, d'infrastructures et superstructures pour les chemins de fer, etc..., qui sont exposés à de grandes sollicitations cycliques et aux intempéries.
La conjoncture économique actuelle, qui rend notamment nécessaire de parvenir à une réduction générale de la consommation d'énergie et de matériaux, place l'ensemble de l'industrie, en particulier dans les domaines du bâtiment, de la recherche et de la production des hydrocarbures et des transports, devant des exigences techniques et économiques auxquelles les propriétés des aciers classiques ne peuvent plus répondre, ce qui, dans un certain sens, freine l'évolution de ces secteurs.
Un développement rentable des méthodes de construction et de production et des technologies classiques, ainsi que l'application de nouvelles solutions techniques et technologiques, et même également l'exploitation des produits du sous-sol qui n'ont pas été mis en valeur jusqu'à présent pour des raisons techniques et économiques, sont impensables si l'on ne dispose pas d'une nouvelle nuance d'acier présentant une suffisante résistance à la fatigue et des propriétés complexes favorables pour une transformation industrielle, cette nuance d'acier devant pouvoir être produite en grande quantité et à un prix de revient suffisamment bas pour pouvoir être utilisée de façon très large.
Il devenait donc indispensable d'élaborer une nouvelle nuance d'acier qui, conformément à ces principes d'économie de l'énergie et des matériaux, puisse supporter les sollicitations actuelles, la section transversale de la construction, et donc son poids propre, étant nettement moindres,touten offrant une plus grande sécurité, et qui soit même capable de satisfaire à des paramètres plus exigeants, et de reprendre les charges ainsi engendrées, le coût de l'élaboration industrielle et de la transformation de cet acier ne devant en outre pas excéder les frais spécifiques encourus pour la réalisation des produits fabriqués avec les aciers classiques.
On connaît déjà des aciers de construction présentant de bonnes propriétés mécaniques et une bonne soudabilité lorsque les conditions sont appropriées.
Dans le domaine des aciers soudables, on peut énumérer, à titre d'exemples, les nuances d'acier suivantes: T 1, RQC-100 A, HY et NAXTRA, en provenance des Etats-Unis, ou HT, HW, KLN et RIVER-ACE, en provenance du Japon. La composition chimique de ces aciers est caractérisée par les teneurs suivantes : 0,10 à 0,23 % (en poids) de C, 0,50 à 1,50 % (en poids) de Mn, 0,60 à 1,50 % (en poids) de Cr, et 1,0 à 9,5 % (en poids) de Ni, et quelques nuances contiennent de plus 0,50 à 1,00 % (en poids) de Mo, 0,08 à 0,15 % (en poids) de V, 0,003 à 0,04 % (en poids) de B et 0,5 à 0,7 % (en poids) de Cu.
Il est caractéristique des propriétés mécaniques de ces aciers queleur limite apparente d'élasticité - rapportée à un allongement de 0,2 % - soit comprise entre 500 et 700 N/mm2, et que leur plasticité se prête à une transformation industrielle. Leur limite de résistance à la fatigue, dans le cas d'une rupture survenant après 105 sollicitations, est comprise, pour une sollicitation R =-1, entre 200 et 400 N/mm2 et, pour une sollicitation R = 0, entre 250 et 500 N/mm2 (sur des éprouvettes non soudées).
Quelques nuances d'acier présentent une certaine résistance à la corrosion par l'air.
L'inconvénient de ces aciers est cependant que l'on ne peut leur donner leurs bonnes caractéristiques de résistance que par un traitement de trempe et de revenu appliqué dans des installations spéciales. Leurs propriétés mécaniques sont donc le résultat de la trempe et du revenu, ce qui limite le nombre de profils pouvant être réalisés dans cette qualité, donne lieu en outre à une grande instabilité de ces propriétés mécaniques par suite du manque d'homogénéité de la trempe, et se solde de plus, en raison de la capacité de passage limitée de l'installation, de la .-complexité de celle-ci et des frais élevés qui sont encourus, par un coût de fabrication qui atteint plusieurs fois le prix de revient de l'élaboration normale de l'acier.
L'état du matériau qui a subi un traitement de trempe et de revenu constitue une difficulté supplémentaire pour la transformation industrielle, notamment pendant le découpage ou tronçonnage à chaud, la réalisation de jonctions soudées et le pliage ou cintrage à chaud.
L'utilisation des aciers ayant subi un traitement de trempe et de revenu est ainsi fortement limitée, en dépit de leurs propriétés mécaniques favorables, et ceci par suite de l'absence des profils indispensables, du manque d'homogénéité des propriétés mécaniques, des difficultés liées à leur transformation et de leur prix élevé. Dans le domaine des matériaux non soudables, on connaît également des aciers qui ont d' excellentes propriétés mécaniques, tels que, par exemple, les nuances En et AISI-V, mises au point aux Etats-Unis, ou la nuance GhNW, en provenance de l'Union Soviétique, les nuances Rex, Melt-A et HST, en provenance de Grande-Bretagne, ou CSV4 et-MOG en provenance de la République Fédérale d'Allemagne. Leur composition chimique est caractérisée par les teneurs suivantes : 0,2 à 0,6 % (en poids) de C, 0,2 à 1,6 % (en poids) de Si, 0,3 à 1,6 % (en poids) de Mn, 0,3 à 5,0 % (en poids) de Mo et 0,1 à 1,0 % (en poids) de V, mais quelques nuances contiennent aussi 1,5 à 3,0 % (en poids) de W et 0,1 à 0,3 % (en poids) de Ti.
Il est caractéristique des propriétés mécaniques de ces aciers que leur limite apparente d'élasticité, pour un allongement de 0,2 %, soit comprise entre 1300 et 1600 N/mm2 lorsqu'ils ont subi un traitement de trempe et de revenu, et que leur résistance à la traction soit comprise entre 1700 et 2000 N/mm2, ce à quoi correspondent un allongement de 7 à 10 % et une résilience comprise entre 0,7 et 2 daJ/cm2, sur une éprouvette Izod non entaillée. Pour une sollicitation R = 0, rapportée à un nombre de cycles de 104 jusqu'à rupture, leur limite de résistance à la fatigue est comprise entre 400 et 800 N/mm2.
L'inconvénient de ces aciers est que leurs propriétés, précédemment mentionnées, ne se manifestent qu'après un traitement de trempe et de revenu, ce qui limite fortement leur utilisation en raison des difficultés de transformation (battitures, calamine, réticulation ou gauchissement, degré d'usinabilité), et ce qui rend en outre ces aciers assez fragiles et sensibles à l'effet d'entaille, le coût de leur élaboration excluant de plus pratiquement une application industrielle à grande échelle, à cause de leur forte teneur en éléments alliés.
Les aciers de construction actuellement connus présentent donc d'assez bonnes propriétés mécaniques, à la fois dans le domaine soudable et dans le domaine.non soudable, et ceci en raison des additions d'alliage et des traitements thermiques, c'est-à-dire de la trempe suivie de revenu. Mais cette méthode d'augmentation de la résistance limite l'assortiment des profilés que l'on peut ainsi fabriquer, les éléments de construction ayant subi un traitement de trempe peuvent en outre difficilement être usinés à l'aide des machines habituelles, et enfin, dans le cas des éléments de construction ayant subi une transformation avant la trempe, la haute température de trempe provoque une décarburation, une réticulation ou un gauchissement, et éventuellement des fissurations. L'élaboration de ces aciers nécessite des équipements spéciaux, qui augmentent encore-les dépenses et ne permettent pas une application industrielle de grande envergure. La combinaison de ces inconvénients en arrive à réduire sensiblement la valeur utile de ces aciers, en dépit de leurs propriétés mécaniques apparemment favorables.
La présente invention a pour objet de mettre au point des aciers de construction résistants à l'usure et à la corrosion par l'air, et présentant une bonne soudabilité jusqu'à certaines limites de teneur en carbone (0,30 %) aciers dont la limite de résistance à la fatigue et la limite apparente d'élasticité soient supérieures à celles des aciers classiques et qui puissent, grâce à leurs différents mécanismes de renforcement et sans trempe, servir de matériau de base pour la réalisation de constructions et ossatures, d'ouvrages terrestres ou hydrauliques, de véhicules, de machines et éléments de machines, qui sont exposés à de grandes sollicitations cycliques et aux intempéries.
La présente invention permet d'atteindre l'objectif fixé par le fait que l'acier ainsi élaboré contient, outre le fer, et les éléments résiduels habituels tels que P, As, Se, etc..., au maximum 1,6 % (en poids) de C, 0,3 à 3,0 % (en poids) de Mn et/ou de Ni, au maximum 1,8 % (en poids) de Si, 0,6 à 4,0 % (en poids) de Cu, au maximum 3,0 % (en poids) de Mo et/ou de Co, 0,02 à 0,4 % (en poids) 'de Nb et/ou de V, au maximum 0,006 % (en poids) de B, au maximum 0,4 % (en poids) de Zr et/ou de Be, 0,02 à 0,2 % (en poids) de Al, 0,005 à 0,2 % (en poids) de N, au minimum 0,0001 % (en poids) de Ca, et au maximum 0,25 % (en poids) de Ce et/ou de Pb, le soufre peut être présent dans certains cas jusqu'à 0,1 %.
Des compositions plus particulièrement préférées selon l'invention comprennent :
La composition préférée pour des aciers non soudables est la suivante :
Quelques-uns des éléments alliés forment, lorsqu'ils sont dans le rapport selon la présente invention, des composés métalliques complexes qui, en partie, produisent déjà, dès le stade de la coulée, des germes actifs de dimension critique, et qui sont aussi, en partie, mis en solution dans les interstices en créant ainsi une précontrainte dans le réseau du fer et en augmentant ainsi le nombre de défauts du réseau. D'autres éléments alliés provoquent des précipitations métalliques ayant une grande résistance au cisaillement, lesquelles augmentent et stabilisent en même temps, de façon cohérente, la tension interne du réseau de matière de base.
L'augmentation du nombre de germes de dimension critique entraîne une forte augmentation de l'aptitude à la cristallisation que présente la coulée, une diminution du temps de solidification et de la grosseur de grain primaire, une augmentation brusque des surfaces des limites des grains et une limitation de la formation possible d'enrichissements intermétalliques.
Les propriétés et le rapport avantageux des composants créent, dans le système d'alliagé selon la présente invention, des conditions thermodynamiques, cinétiques et de germination telles, pendant la mise en solution, la solidification, la recristallisation et la déformation à chaud, que la disposition des composants à la mise en solution interstitielle, la quantité de ces composants ainsi que le nombre et le degré de contrainte des réseaux ainsi mis sous précontrainte se trouvent nettement augmentés.
Grâce à l'augmentation du nombre des réseaux présentant une précontrainte interstitielle et de leur degré de contrainte, le nombre des dislocations produites par voie métallurgique et qui favorisent et déterminent la formation, ainsi que la dispersion des précipitations métalliques se trouve fortement augmenté, ce qui augmente sensiblement l'efficacité de la fonction d'ancrage ou de fixation des précipitations lors du mouvement de front de dislocation que déclenchent les précipitations.
Les composants selon la présente invention et leur rapport avantageux assurent ainsi automatiquement l'excellente qualité métallurgique de l'acier pendant son élaboration et l'effet positif des différents mécanismes de renforcement actuels, dont l'action combinée et cumulée augmente la résistance mécanique utile et la limite de résistance à la fatigue de l'acier.
La composition chimique de l'acier selon la présente invention comprend aussi des éléments alliés qui ne se mettent pas en solution dans le fer et ne se combinent pas avec celui-ci, mais qui s'enrichissent à la surface de l'acier. Il en résulte qu'il se forme à la longue sur la surface, par l'effet de l'atmosphère, une couche de protection dense qui se dissout difficilement et qui protège l'acier contre l'action corrosive de l'environnement et de fluides bien déterminés, en éliminant la possibilité de corrosion par piqûres et en améliorant la solidité de la couleur de l'acier.
L'acier selon la présente invention présente une bonne soudabilité pour une teneur en carbone donnée et avec un apport de chaleur approprié, et les propriétés de la zone thermiquement affectée sont identiques à celles du matériau de base.
L'élaboration de l'acier selon la présente invention ne nécessitant pas d'atmosphère réductrice, elle peut se dérouler à"l'aide des installations classiques, et l'on peut, par des procédés de façonnage à chaud, conférer à l'acier des dimensions et profils quelconques, par laminage ou estampage, la production pouvant se faire en grande série sans installations particulières.
L'acier selon la présente invention présente, sans trempe, d'excellentes propriétés mécaniques, et permet en même temps l'application des technologies de transformation et d'assemblage classiques.
Dans le domaine de l'acier non soudable, on peut régler par revenu l'aptitude à la transformation ou à l'usinage, ainsi que la dureté après usinage, par un traitement thermique à basse température. Le prix de l'acier selon la présente invention n'est ainsi pas grevé, en tant i que matériau de base, par le coût du traitement compliqué de trempe et de revenu exécuté dans un liquide spécial, ainsi que par celui des installations nécessaires à cet effet, et en outre les frais de fabrication des produits réalisés avec l'acier selon la présente invention n'excèdent pas le coût des produits classiques.
C'est pourquoi le bénéfice que l'on peut obtenir sur le plan économique, de par les avantages techniques - offerts par l'acier selon la présente invention (réduction de la consommation d'énergie et du poids, etc...), grâce aux limites élevées de la résistance à la fatigue et de l'élasticité, n'est pratiquement pas affecté du fait des frais d'élaboration et d'utilisation du nouveau matériau de base.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs de l'élaboration de l'acier et de ses propriétés mécaniques.
Trois charges de l'acier selon la présente invention sont présentées, à titre d'exemple, dans le domaine des aciers soudables. Les charges ont été élaborées dans des fours à arc de 60 t et ensuite affinées dans des équipements métallurgiques comportant des poches. La coulée a été effectuée dans une installation de coulée continue à quatre filières ayant un profil de 240 x 240 mm, et l'on a ensuite produit par laminage, à partir des billettes, et dans des conditions normales, des ronds en acier d'un diamètre de 20 mm, que l'on a ensuite refroidis à l'air sur des refroidisseurs.
Les résultats des examens des charges selon la présente invention figurent ci-après :
- Rp la limite élastique
- Rm la charge dë rupture
- A5 allongement
- Z striction
- KCU resilience
On a examiné les éprouvettes, soudées en atmosphère inerte, d'une plaque de 12 mm d'épaisseur fabriquée avec la charge 2. La plaque n'a été soumise à aucun traitement thermique, ni avant ni après le soudage.
- Epaisseur de la plaque = V = 12 mm
- Type de soudure = contre-soudure (à un angle de 60°)
- Apport de chaleur = 3000 joule/cm
- Nombre de soudures = 3 + 1
- Atmosphère inerte = C02
- Fil à souder = le matériau lui-même, avec un diamètre de 1,6 mm
(mesurée dans le volume d'air d'un local industriel)
L'essai de fatigue ou d'endurance a été effectué sur une machine pour essais de fatigue du type Schenk-Erlinger, fonctionnant d'après le principe de résonance. Dans ce cas, ce sont à la fois la composante de la précontrainte statique et la charge oscillante (+ Fa) qui sont appliquées par des ressorts s'appuyant sur une tête de charge commune. La charge statique est établie et réglée par un axe fileté et le ressort oscillant est excité par un moteur électrique. L'oscillation ou vibration excitée par la rotation de la masse excentrique actionne le pulsateur au point de résonance, et ledit pulsateur produit une charge statique comprise entre 0 et 20 méga- pond et une charge cyclique de + 10 mp.
Un rond en acier, d'un diamètre de 20 mm, réalisé par laminage à partir de la charge 2, a été soumis à l'essai de fatigue. Les résultats de l'essai de traction de contrôle, effectué sur une éprouvette laminée n'ayant pas subi de traitement thermique, figurent sur le tableau 5.
En comparant les résultats d'essais obtenus avec une sollicitation identique de l'acier 42CD4 et de l'acier de la charge 2 élaboré selon la présente invention, on constate, pour la probabilité de rupture de 50 %, qu'à cette valeur correspondent 60 000 sollicitations dans le cas de l'acier servant de base de comparaison, contre 700 000 sollicitations dans le cas de l'acier selon la présente invention. La comparaison des résultats obtenue par des méthodes d'essai identique fait ressortir qu'avec une charge identique la durée de vie de l'acier selon la présente invention est à peu près égale à dix fois celle de l'acier classique servant de base de comparaison.
En comparant les valeurs de résistance ou les charges de la durée correspondent à la probalité de rupture de 50 %, c'est-à-dire les droites qui représentent, dans une même figure, la résistance à la fatigue des deux matériaux, on constate que l'acier selon la présente invention supporte des charges qui sont presque le double de celles que supporte l'acier 42CD4.
Deux charges constituées par de l'acier selon la présente invention sont présentées, à titre d'exemples, dans le domaine des aciers non soudables. Les charges ont été produites dans un four à arc de 65. t, puis affinées dans des équipements métallurgiques comportant des poches, et coulées dans une installation à coulée continue ayant un profil de 240 x 240 mm. Des ronds en acier ont ensuite été produits, par laminage, dans des conditions normales, à partir des biellettes, et refroidis sur des refroidisseurs. Le diamètre de ces ronds en acier était de 20 mm. Les résultats des essais sont représentés ci-après.
L'essai de fatigue avait pour objet d'examiner les propriétés de l'acier selon la présente invention lorsqu'il est soumis à un effort d'oscillation ou de vibration variant avec le temps. La méthode d'essai utilisée était, outre les essais de fatigue par efforts de torsion cycliques avec les éprouvettes de fatigue par torsion qui sont usuels, la méthode locati, destinée à déterminer la résistance aux efforts combinés de flexion et de torsion, et l'on a finalement calculé la résistance aux oscillations ou vibrations en traitant les résultats sur ordinateur. Pour l'essai de fatigue de la charge 4, on a utilisé des éprouvettes fabriquées avec des ronds en acier laminés et soumis à un traitement de détensionnement, d'un diamètre de 40 mm. Les résultats de l'essai mécanique.statique des ronds en acier produits par laminage à partir de la charge 4 figurent sur le tableau 13.
Cet essai avait pour objet de déterminer le diagramme de Wöhler pour l'effort combiné de flexion et d'oscillation symétrique.
Cet essai avait pour objet de déterminer le diagramme de Wöhler pour l'effort combiné de torsion et d'oscillation symétrique.
Les valeurs de résistance aux oscillations ou vibrations qui ont été obtenues, soit Rvh = 373 à 441 N/mm2 et Tv = 254 à 255 N/mm2, avec un rond.en acier produit à partir de l'acier selon la présente invention, n'ayant pas subi de traitement de trempe suivi de revenu et d'un diamètre de 40 mm, concordent avec les valeurs de résistance aux oscillations ou vibrations des aciers de ressorts co- nus ayant subi une trempe ou un traitement de trempe suivi de revenu. Il y a lieu de noter qu'au cours des essais de fatigue par efforts de torsion cycliques, on a pu obtenir une amélioration sensible des valeurs de résistance aux oscillations ou vibrations par une charge préalable appropriée, de l'ordre de plusieurs millions, qui a été produite par une contrainte d'environ 440 N/mm2. Les valeurs de résistance aux oscillations ou vibrations de l'acier selon la présente invention s'améliorent donc sensiblement lorsqu'il a été mis en place dans une construction, par suite du travail des ossatures, ce qui constitue une propriété très utile de l'acier selon la présente invention.