Contenu expert en archives : l’article préserve les désignations, tableaux et allégations historiques sur la composition et les propriétés mécaniques de l’acier, mais ne constitue pas une norme valide, une spécification de matériau, un certificat, un calcul de construction ou une instruction de traitement thermique et d’essai. Les valeurs de conception dépendent du type et du lot d’acier identifiés avec précision, de l’état de fabrication, de l’épaisseur, de la température, de la soudabilité, de la ténacité, de la fatigue et de la norme applicable. Le matériau du roulement doit avoir une documentation traçable et être sélectionné et vérifié par un expert responsable.
Savo Kusić se concentre aujourd’hui sur les fenêtres en bois, fenêtres en bois-aluminium, fenêtres personnalisées, portes et demandes de devis. Cet article reste une archive historique et ne représente pas une offre de fabrication de renforcement, de conception ou d’essai de structures en acier.
Composition et marques historiques de l’acier de construction
En faisant fondre des minerais de fer mélangés à des combustibles, et en y ajoutant des impuretés - généralement du calcaire - ainsi qu’en introduisant de l’air chauffé sous pression dans un haut fourneau, on obtient de la fonte brute. La fonte brute contient plus de carbone 1,7% ; il ne peut pas être forgé, roulé, ciselé ou pressé – il ne peut donc pas être façonné de diverses manières. Le fer forgé est produit à partir de fonte brute par soufflage d’air dans un convertisseur basique, ou à partir de ferraille et de fonte brute dans un four (four Siemens-Martin). Diverses formes peuvent en être créées par laminage, pressage et forgeage. Tout le fer forgé est appelé steel.
Tableaux historiques : Les anciennes nuances d’acier, normes, valeurs admissibles et procédures de pliage dans les tableaux présentés ne doivent pas être utilisées pour trouver, identifier ou dimensionner le matériau d’aujourd’hui. Seules l’étiquette et la documentation du lot livré font foi, avec un contrôle d’équivalence selon la norme convenue et applicable.
Composition chimique de l’acier de construction
Le fer technique n’est pas du fer pur, mais un alliage des éléments de base fer et carbone, le plus souvent additionné de manganèse, de silicium, de phosphore, de sumbor et de cuivre, et moins souvent d’aluminium, de chrome, de nickel, de molybdène, etc. Le mélange le plus important est le carbone. La limite d’élasticité et la résistance à la traction de l’acier fondu augmentent avec l’augmentation de la teneur en carbone jusqu’à ce qu’environ 0,9% carbone soit atteint ; l’allongement à la rupture diminue à mesure que la teneur en carbone augmente. L’acier à haute teneur en carbone doit être manipulé avec plus de précaution lors du redressage, du pliage, du flambage, etc.
Les aciers de construction St 37.12 contiennent en règle générale 0,08-0,15% de carbone, puis environ 0,5% de manganèse, jusqu’à 0,3% de silicium. La teneur en phosphore et en soufre doit être faible ; cela équivaut respectivement à 0,09% et 0,05%. En règle générale, il y a du cuivre sur 0,2%.
Lors de l’évaluation des résultats d’analyses chimiques, il faut veiller à ce qu’il s’agisse d’analyses de matières fondues ou d’analyses de produits laminés ; pour ces derniers, il est important que les données d’échantillon se réfèrent à des échantillons provenant de la section entière, ou à des échantillons prélevés à un endroit précis (de la carotte, du bord, d’une extrémité).
Structure en acier, trempe, revenu et recuit
L’observation de la structure est effectuée sur des surfaces planes, soigneusement traitées, meulées et polies qui, en règle générale, sont corrodées par les acides. Dans certains cas (par exemple sur de l’acier surchauffé), des grains d’acier peuvent être reconnus à l’œil nu sur des échantillons préparés.
L’image 1 montre la structure d’un acier refroidi lentement avec une teneur en carbone d’environ 0,1%, et l’image 2 montre la structure d’un acier refroidi lentement avec une teneur en carbone d’environ 0,3%. Les grains légers ne contiennent pas de carbone et sont principalement constitués de fer pur (d’où le nom de ferrite) ; sous fort grossissement, les zones sombres apparaissent striées (perlite). Au microscope, on peut reconnaître que les taches sombres sont constituées de couches plus dures et plus molles ; les couches les plus dures sont du carbure de fer (Fe3C), appelé cémentite, qui est noyé dans la ferrite plus molle. Locaux - les cristaux formés à haute température se désintègrent lors d’un refroidissement progressif. Un refroidissement soudain de l’acier chaud empêche la désintégration des cristaux. Si, en revanche, un refroidissement brutal est effectué avant le début de la transformation de la solution solide, alors la solution - qui autrement ne peut exister qu’à des températures élevées - continuera à être maintenue à température ambiante. Dans ce cas, on n’obtient pas un matériau dont le carbone est réparti sous forme de taches, mais un matériau dont le carbone est uniformément réparti. L’acier dans cet état présente une limite d’élasticité et une résistance à la traction beaucoup plus élevées que l’acier refroidi lentement de la même composition chimique, mais il présente également une usinabilité moindre ; un tel acier est appelé acier trempé.
Il est naturel que l’effet de refroidissement soit plus prononcé sur les surfaces, tandis qu’il s’affaiblit vers l’intérieur, ce qui est d’une grande importance pour l’utilisation de l’acier. L’acier trempé contient des contraintes internes élevées.
Procédures de laboratoire et thermiques : la gravure, le chauffage, la trempe et le recuit à l’acide métallographique nécessitent un laboratoire ou un atelier contrôlé, un matériau identifié, un équipement et une protection appropriés. Un traitement thermique inapproprié peut provoquer des fissures, des déformations, une perte de ténacité et des contraintes résiduelles élevées.
Comportement de l’acier lors des essais de traction
1. Aciers de construction ordinaires à l’état laminé
A partir de l’essai de traction, le module élastique E peut être déterminé en premier lieu à la fois pour les allongements totaux et élastiques. Le module d’élasticité de l’acier est 200 GPa.
Des allongements permanents se produisent à basse tension, mais ils n’ont pas d’importance particulière dans la construction. L’acier ordinaire commence à « s’écouler » sous des charges qui, pour l’acier de construction commercial St 37 et l’acier pour béton, dépassent généralement 0,24 GPa, et dans les grandes sections, cette valeur peut descendre jusqu’à 0,18 GPa. En raison de l’écoulement, d’importantes déformations permanentes et des « lignes d’élasticité » se produisent. La ligne du diagramme d’allongement de l’acier (image ci-dessous) montre que la limite d’élasticité a été dépassée (en cas de chargement en traction, cette limite est également appelée limite d’élasticité).
Lorsque, dans le cas de poutres en béton armé, la limite d’étirement de l’armature est dépassée dans la zone de tension, des allongements importants se produisent dans l’acier, ce qui crée des fissures et des courbures dans la zone de tension de la poutre, ce qui altère la capacité portante de la poutre. Sur les aciers à haute teneur en carbone, sur les aciers trempés et en général sur les métaux non ferreux, la limite d’élasticité caractéristique représentée sur l’image ci-dessus n’apparaît pas ; les allongements permanents augmentent généralement et il n’y a pas de limite d’élasticité distincte. Dans de tels cas, en règle générale, la limite d’élasticité est supposée être égale à la charge à laquelle se produit un allongement permanent de 0,2%.
Les valeurs ne sont pas des données de conception : le module d’élasticité, la limite d’élasticité, la résistance et l’allongement dans le texte sont transférés à partir d’une source historique. Pour le calcul, les valeurs caractéristiques et de conception de la classe moderne exacte, de l’épaisseur et de l’état de livraison sont prises, ainsi que les facteurs partiels, tolérances et exigences pertinents en matière de ténacité, de soudabilité et de fatigue.
2. Aciers étirés à froid
Dans chaque tige d’acier redressée ou pliée, de l’acier étiré à froid se produit localement. Ce faisant, l’acier est soumis à des contraintes locales au-delà de la limite d’élasticité ; sur la pièce étirée, la limite d’étirage est augmentée. Si une tige d’acier ordinaire est chargée en traction jusqu’à ce que la limite d’élasticité soit dépassée, lors du rechargement, on constate que la valeur de la limite d’élasticité a augmenté. Plus l’intervalle de temps de « pause » entre deux charges est long, plus la limite d’élasticité augmentera.
De plus, étant donné que lors de l’étirement à froid, le diamètre diminue également proportionnellement à l’allongement de la barre, de sorte que l’acier qui a été exposé à un étirement important avant l’essai présentera une limite d’élasticité et une résistance à la traction nettement plus élevées que l’acier qui n’a pas été étiré ; en même temps, il montrera moins de résistance aux chocs.
L’étirage à froid est utilisé dans la production d’aciers à béton IIb, IIIb et IVb (acier tordu, treillis de construction en acier), ainsi que dans la production de fils pour renforts précontraints et de câbles de ponts suspendus.
Travail à froid et renforcement : Les qualités et descriptions historiques d’étirage à froid ne sont pas indicatives d’un produit moderne. Le pliage, le redressage, le repliage, le soudage ou le chauffage du renfort peuvent modifier les propriétés et n’est autorisé que lorsque cela est autorisé par la documentation du produit, la conception et la norme applicable.
Comportement de l’acier lors des essais de pression
Ce qui a été dit sur l’élasticité et sur la limite de traction de l’acier en fusion s’applique dans le sens correspondant à la charge de pression. Les valeurs de la limite d’élasticité de l’acier de construction (dans le cas de la pression, on parle de limite d’élasticité) obtenues lors de l’essai de compression et de l’essai de traction ne diffèrent pas beaucoup. Cependant, sous pression, une augmentation de la charge au-delà de la limite d’écrasement n’est possible qu’avec des éléments très courts.
Les lois du flambage s’appliquent aux tiges fines. Dans le même temps, il convient en premier lieu de prendre en compte des hypothèses appropriées, qu’elles concernent la manière de soutenir et de pincer les extrémités de la tige, ou les écarts de l’axe de la tige par rapport à la position établie.
Éléments pressés : la résistance du matériau à elle seule ne détermine pas la capacité portante de la tige. L’élancement, la courbure initiale, les contraintes résiduelles, le flambement local et global, les appuis, les joints et les imperfections doivent être inclus dans le calcul de l’élément en béton.
Comportement de l’acier lors d’un essai de flexion
Concernant la limite d’élasticité (observée de l’extérieur par les grandes flèches des supports ou par les lignes d’élasticité), il est important qu’elle se produise lors de l’essai de flexion à des contraintes légèrement inférieures mais supérieures à celles obtenues lors du test de résistance à la traction de la tige d’essai. Après avoir dépassé la limite d’élasticité de l’acier dans les zones de tension des supports, les charges peuvent être augmentées si les supports sont suffisamment sécurisés contre le flambement ou la torsion.
Test de flexion : la photo montre la procédure de laboratoire, pas les critères d’acceptation du produit. La géométrie de l’éprouvette, les supports, la vitesse, la température, le sens de laminage et les critères de granulométrie doivent correspondre à la norme appliquée et au type exact d’acier.
Résistance à la fatigue de l’acier
Les propriétés de résistance déterminées lors d’essais ordinaires de traction, de compression ou de flexion fournissent des informations détaillées sur le comportement de l’acier sous charge statique. Dans le même temps, il convient de prendre en compte que la limite d’élasticité lors d’un chargement statique à long terme sera légèrement inférieure à la limite obtenue par des essais ordinaires jusqu’à la rupture. Si des charges statiques sont suivies de charges fréquentes (par exemple ponts, voies de grue, véhicules), ou si seules des charges fréquentes agissent, alors les données sur le matériau ne peuvent être obtenues que sur la base de son comportement dans des conditions qui correspondent le plus aux conditions pratiques. Par conséquent, les aciers pour éléments de construction, qui seront principalement exposés à des charges mobiles, sont testés par des chargements fréquents.
Le plus souvent, des charges stationnaires et mobiles se produisent en même temps. Les exemples suivants décrivent l’essence du problème. Tiges montrées sur la photo1ils sont faits du même matériau et coulés à partir de la même barre. La tige inférieure est lentement pliée par chargement progressif ; il pourrait donc être plié. La tige supérieure est soumise de manière répétée à des chargements répétés, avec des contraintes bien inférieures à celles régnant dans la première tige. Au bout d’un certain temps, la tige supérieure s’est cassée sans présenter de déformation permanente autour de la fracture. Ainsi, le comportement du matériau à la rupture dépend fortement de la manière dont la charge est appliquée. L’exemple donné, qui concerne les charges de flexion, est également caractéristique d’autres types de charges. Dans les images2et3des exemples d’essais de traction sont présentés ; image2fait référence à un exemple simple de test de déchirure, et la figure3aux essais de tension variable unidirectionnels.
En ce qui concerne l’application de ces faits, il est important que - outre le comportement montré lors de l’essai de déchirure ordinaire - la valeur d’un élément de construction qui a été percé ou dont la section a subi d’autres modifications soit particulièrement évaluée. La résistance d’une tige percée aux charges fréquentes est bien inférieure à la résistance d’une tige non percée, puisque des seuils de tension apparaissent aux bords du trou. La contrainte au bord du trou, si elle est provoquée par des charges fréquentes, sera toujours nettement supérieure à la contrainte moyenne. La conséquence est que les éléments de construction percés, soumis à des charges fréquentes, présentent une résistance bien inférieure à celle des éléments non percés.
Une dernière note sur la fatigue : des fissures de fatigue peuvent se produire à des contraintes inférieures à celles qui provoquent une déformation plastique visible. Les trous, les détails soudés, les changements brusques de section, la corrosion et les dommages modifient la catégorie des détails et leur durée de vie. Les structures soumises à des chargements répétés nécessitent un calcul de fatigue particulier, un plan d’inspection et une expertise de chaque fissure détectée.