3. ANALYSE DES STRUCTURES, CLASSIFICATIONS

Milou

Description

• cours - matière potentielle : la mise en charge
• cours - matière potentielle : l' opération de soudage

Chapitre 1 1-1 1. L'ACIER, MATERIAU DE CONSTRUCTION, ET LES PRODUITS DERIVES POUR LA CONSTRUCTION 1.1 Du minerai de fer à l'acier liquide 1.1.1 Fer-fonte et acier au carbone Le fer est un constituant important de l'écorce terrestre. Dans le langage courant, on confond facilement, mais erronément, les notions de fer et d'acier. Le fer s'emploie rarement à l'état pur mais très souvent sous forme d'alliage avec le carbone et d'éventuels additifs.

• courbe de transition de l'énergie de rupture par choc
• limite d'élasticité
• accroissement de la limite élastique
• inégales 
• acier de construction
• zones de transformation métallurgique
• acier
• déformations
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• énergies
• produit
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Sujets

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• Produit
• Construction
• Élasticité
• Límite
• Énergie
• Transition
• Contrainte

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Extrait

Chapitre 1 1-1
1. L’ACIER, MATERIAU DE CONSTRUCTION, ET LES
PRODUITS DERIVES POUR LA CONSTRUCTION
1.1 Du minerai de fer à l’acier liquide
1.1.1 Fer-fonte et acier au carbone
Le fer est un constituant important de l’écorce terrestre. Dans le langage courant, on
confond facilement, mais erronément, les notions de fer et d’acier. Le fer s’emploie
rarement à l’état pur mais très souvent sous forme d’alliage avec le carbone et
d’éventuels additifs. On parle ainsi de fonte lorsque la teneur en carbone est au
moins égale à 2 % et d’acier, et plus précisément, d’acier au carbone, lorsque cette
teneur reste inférieure à 2 %. Les propriétés d’un acier dépendent fortement de la
teneur en carbone - généralement entre 0,2 à 0,5 % pour un acier de construction -
mais également de la présence éventuelle d’additifs (silice, cuivre, manganèse,
nickel, vanadium,...). Lorsque ces additifs existent en proportions significatives, les
aciers sont dits alliés. Tous les aciers, alliés ou non alliés, contiennent en outre de
petites quantités d’impuretés, notamment du phosphore et du soufre, qu’il est
impératif de maintenir dans les limites strictes pour éviter divers désagréments
(mauvaise soudabilité, sensibilité excessive à la rupture fragile, ...).
Les aciers alliés présentent généralement de meilleures propriétés de résistance que
les aciers au carbone. Ils permettent notamment d’atteindre de hautes limites
d’élasticité, qu’ils aient ou non subi un traitement thermique.
Les principaux métaux mis en œuvre dans les structures de constructions civiles sont
l’acier et les alliages d’aluminium. L’acier est le plus utilisé : il requiert beaucoup
moins d’énergie pour son élaboration - la réduction du minerai de fer consomme
seulement 1/10 de l’énergie nécessaire à la réduction de la bauxite - et combine des
qualités de bonne résistance (en compression et traction), une grande raideur
(module d’élasticité élevé) et une bonne ductilité (mise à forme par forgeage,
laminage,...). Les alliages d’aluminium ne sont normalement utilisés que lorsque la
résistance à la corrosion et/ou la légèreté sont des conditions déterminantes.
L’élaboration de l’acier requiert un processus assez complexe qui ne fait pas l’objet
de ce cours. On n’en rappellera très sommairement ci-après que les principales
étapes.
Deux procédés de fabrication sont possibles : la filière « fonte » et aciérie à l’oxygène
et la filière « ferraille » et four électrique.
1.1.2 Filière fonte et aciérie à l’oxygène
Les opérations sont les suivantes :
 transformation du minerai pour le rendre assimilable par le haut fourneau :
broyage et criblage du minerai brut, homogénéisation et chargement avec de la Chapitre 1 1-2
chaux et du coke sur la chaîne d’agglomération où il est partiellement fondu avec,
pour résultat, du minerai aggloméré;

 réduction des oxydes de fer par le coke dans le haut fourneau : le coke
combustible (distillat de la houille dans le four de cokerie) est du carbone presque
pur dont la combustion apporte, d’une part, la chaleur nécessaire à la fusion du
minerai et, d’autre part, l’oxyde de carbone qui, en réduisant les oxydes de fer,
permet au fer pur ainsi libéré de se combiner aux atomes de carbone pour former
la fonte (94 à 96 % de Fe, 3 à 4 % de C et 1 à 2 % de non ferreux, Si, S, P,...) et à
la guangue liquide, plus légère, de se séparer de la fonte en un sous-produit
exploitable : le laitier de haut fourneau;

 récupération de la fonte liquide en bas du haut fourneau et acheminement, en
wagon-poches, vers l’aciérie;

 le carbone présentant une grande affinité pour le fer liquide, la fonte produite dans
le haut-fourneau a une teneur en carbone assez élevée, ce qui la rend fragile.
L’affinage de la fonte, opération destinée à abaisser la teneur en carbone en
dessous de 2% et à éliminer les éléments indésirables se fait à l’aciérie. La fonte
liquide est versée dans le convertisseur (sur une charge de chaux et de ferraille)
dans lequel on insuffle de l’oxygène qui brûle presque complètement les éléments
indésirables (les oxydes formés sont fixés par la chaux et produisent un laitier qui
est évacué). La température passe de 1250° (fonte liquide) à 1600°C (acier
liquide);

 ajustement de la composition chimique de l’acier, visant à améliorer la pureté et la
qualité du métal, par addition strictement contrôlée des éléments d’alliage.
1.1.3 Filière « ferraille » et four électrique
Cette filière consiste à recycler indéfiniment l’acier puisque le produit fini est obtenu à
partir d’une matière première qui est elle-même de l’acier. Elle participe donc à la
protection des ressources naturelles. Les opérations sont les suivantes:
 préparation de la ferraille provenant de démontages ou de démolitions, de chutes
d’acier ou de fontes : tri, calibrage, broyage;

 stockage, dans un four électrique (vaste cuve comportant des électrodes), de
ferrailles de choix et des additions éventuelles de métaux divers;

 production d’arcs électriques puissants entre les électrodes et la charge à fondre;

 ajustement de la composition chimique de l’acier comme pour les aciers élaborés
à l’oxygène.
La filière « ferraille » contribue pour une part sans cesse croissante à l’élaboration de
l’acier ; elle fait en effet l’économie d’équipements lourds et est plus économique en
énergie. Chapitre 1 1-3
1.2 De l’acier liquide aux demi-produits
A la sortie d’une quelconque des filières ci-dessus, l’acier liquide est recueilli et
transporté au lieu de coulée, où se réalisent la solidification de l’acier et l’ébauche
des formes. Deux procédés de coulée coexistent : la coulée en lingots et la coulée
continue. En raison des gains de matière et de productivité permis par la coulée
continue, celle-ci devient le mode de coulée prédominant.
La coulée en lingots consiste à couler l’acier dans des moules en fonte (lingotières)
où il se solidifie. Après démoulage, les lingots sont rechauffés à 1200°C
(homogénéisation en fours Pitts) puis traités dans un gros laminoir dégrossisseur
pour être transformés en demi-produits grossiers. Ceux-ci sont des ébauches de
produits plats (brames, slabs) ou de produits longs (blooms).
La coulée continue permet l’obtention directe des demi-produits sans l’étape
blooming-slabbing de la coulée en lingots. L’acier liquide est coulé dans une
lingotière en cuivre (de section adaptée au demi-produit à fabriquer) qui est refroidie
violemment à l’eau de manière que le métal forme, en se refroidissant, une sorte de
peau solide qui est tirée vers le bas par un jeu de rouleaux. Le métal achève de se
solidifier et on recueille, à la base de l’installation, une ébauche solide préformée qui
est coupée aux longueurs désirées.
1.3 Des demi-produits aux produits finis
La transformation en produits finis consiste principalement à réchauffer les demi-
produits dans des fours puis à les étirer et écraser le métal (laminage) pour lui
donner les formes et dimensions désirées.
Parmi les produits finis, on distingue :
 les produits plats : tôles fortes (t > 10 mm), tôles moyennes (2 < t < 10 mm) en
feuilles ou bobines, produits plats laminés à froid (t < 3 mm);

 les produits longs : rails, poutrelles, palplanches, fils, barres, ronds à béton.
Le laminage s’effectue normalement à chaud (de 800 à 1200°C) dans des
installations désormais pilotées par ordinateur avec des vitesses de sortie allant de
100 km/h pour les tôles à 350 km/h pour les fils. Il consiste à faire passer le métal
réchauffé un certain nombre de fois (passes de laminage) entre deux cylindres
tournant en sens inverse. Ces cylindres sont soit lisses, soit ils portent des
cannelures selon le type de produit fini souhaité et leur entredistance est adaptée à
chaque passe de laminage. On obtient ainsi progressivement un produit de section
de plus en plus faible mais de plus en plus long.
Pour certains produits plats de faible épaisseur, on effectue d’abord un laminage à
chaud puis on procède &