L’acier est une forme raffinée de fer auquel on ajoute une quantité contrôlée de carbone. Il a également été fondu avec divers minéraux pour aider à éliminer les impuretés à des températures spécifiques. Il existe plusieurs nuances d’acier, et d’autres métaux peuvent être alliés à l’acier, en fonction de son utilisation éventuelle. La fusion du fer en acier n’est devenue un procédé industriel efficace qu’au XIXe siècle.
Sommaire de cette fiche pratique
Fer
Le fer se trouve naturellement dans la roche sous forme de minerai d’oxyde (fer mélangé à de l’oxygène). D’autres impuretés comme le soufre, le manganèse et le phosphore peuvent être présentes. Le fer a été extrait pour la première fois il y a 4 000 ans. Il a remplacé le bronze (alliage de cuivre et d’étain) lorsqu’on a découvert que le fer était plus dur et qu’il ne se pliait pas ou ne perdait pas ses bords aussi facilement.
Fusion du fer
Le minerai de fer est fondu dans un four avec des jets d’air et une matière carbonée, généralement du coke. (Le coke est du charbon qui a été chauffé sans oxygène pour brûler le soufre et d’autres impuretés. L’ajout d’atomes de carbone à une molécule de fer cristallin augmente la malléabilité et la dureté.
Types de fer
Le fer le plus facile à produire est le fer « ouvré », c’est-à-dire le minerai de fer fondu à une température suffisamment élevée pour lier les atomes de carbone à 0,2 à 0,8 % du fer fondu. Ce type de fer est dur mais assez malléable pour être martelé et mis en forme. Au fur et à mesure que les hauts fourneaux étaient améliorés pour une chaleur plus élevée, le fer ayant une teneur en carbone plus élevée, comprise entre 3 et 4,5 %, pouvait être fondu ; c’est ce qu’on appelait la fonte, qui était immédiatement versée dans les moules. Elle était plus dure mais cassante et ne pouvait pas être façonnée ou martelée.
Fabrication de l’acier
La qualité de l’acier dépend de la fusion du fer à une température précise avec une quantité contrôlée de carbone et d’autres alliages. La teneur en carbone de l’acier varie entre 0,2 % et 1,5 %. Bien qu’une teneur plus élevée en carbone durcisse l’acier, elle le rend aussi cassant. Ceci peut être compensé par diverses méthodes de chauffage et de refroidissement de l’acier, appelées « revenu ».
Structure moléculaire
L’acier est une structure cristalline de molécules de fer entrecoupées de molécules de carbone. C’est ce qu’il est convenu d’appeler « cémentite ». La dureté et la malléabilité de l’acier dépendent non seulement de la teneur en carbone, mais aussi de la façon dont les molécules de carbone et de fer sont disposées l’une par rapport à l’autre. Les contraintes internes dans la structure cristalline de l’acier augmenteront ou diminueront en fonction de la température à laquelle il est soumis et de la vitesse à laquelle l’acier fondu est refroidi.
Nuances d’acier
Les aciers au carbone sont divisés en trois catégories : bas, moyen, haut et très haut. Les aciers à faible et moyenne teneur en carbone sont malléables et peuvent être soudés. Les aciers à haute et très haute teneur en carbone sont difficiles à souder et nécessitent des traitements thermiques et des usinages supplémentaires. Les autres aciers sont l’acier inoxydable (alliage d’acier, de chrome et de nickel), l’acier au titane et l’acier au manganèse.
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