Petit cours de métallurgie (one more time, baby)
écrit par Guardala le 09 Septembre 2003
Etant donné la quantité
de choses dont je devais parler, j'ai choisi de parler en premier lieu des notions
"de base" indispensables à la compréhension du reste
(principalement des définitions), puis des aciers et aliages (leur travail
et leurs applications), et enfin je terminerai par le titane. Ma conclusion
portera sur les céramiques (cf Rado)
C'est par un procédé de fabrication que se crée ou ne se crée pas l'allergie au nickel. D'où le fait que l'acier Rolex est 3 fois plus cher que celui Omega. Cdlt, Guardala.
1°) NOTIONS GENERALES
SUR LA METALLURGIE
A- Définitions
Homogénéité : un matériau est dit homogène s’il possède, en tous points, les
mêmes propriétés chimiques et physiques. C’est le cas de la plupart des métaux
et alliages, mais pas du bois et des composites (qui sont hétérogènes).
Elasticité : caractérise l’aptitude qu’a un matériau a reprendre sa forme et
ses dimensions initiales après avoir été déformé.
Plasticité : caractérise un matériau ne reprenant ni sa forme, ni ses dimensions
initiales après avoir été l’objet d’une déformation.
Ductilité : aptitude d’un matériau à se déformer sans se rompre ; mesurée en
pourcentage d’allongement.
Malléabilité : c’est la ductilité appliquée à la compression. Très importante
pour l’or.
Dureté : de symbole général H, elle caractérise la capacité d’un matériau à
résister à l’usure, à l’érosion et au marquage (empreinte, rayure).
Trempabilité : aptitude d’un métal à accepter le processus de trempe sans se
déformer ni casser ou présenter de fissures.
B- Mesures de dureté
La dureté peut être évaluée en mesurant une empreinte laissée en surface par
un poinçon agissant sous l’action d’une force connue : c’est le cas des essais
Brinell, Vickers ou Rockwell.
La « dureté Brinell », notée HB, est obtenue par calcul : on mesure l’empreinte
laissée par une bille polie, ainsi que la valeur de la charge F appliquée pour
obtenir cette empreinte.
La « dureté Vickers », notée HV, est obtenue par calcul : le principe est identique
au précédent, mais la bille est remplacée par une pyramide en diamant à base
carrée. Elle mesure donc une résistance à l’abrasion.
La « dureté Rockwell » est la plus connue : elle est obtenue par lecture directe
d’une longueur d’enfoncement d’un pénétrateur (bille acier ou cône diamant).
Notation : HRc pour les métaux ferreux, mesuré avec une pointe. Elle mesure
une résistance à la pénétration. Plus cet indice est élevé, plus le métal est
solide.
Ainsi, le titane brut (non travaillé) est à HRc 28 mais à HV 280…
2°) LES ACIERS ET LES
ALLIAGES
A- Le fer et le carbone
Le fer perd ses propriétés magnétiques au-dessus de 768° (point de Curie), et
existe sous plusieurs formes en fonction de la température : alpha, gamma et
delta. Fer gamma et carbone forment l’austénite.
Le carbone fond à 3500° et cristallise sous 3 formes possibles : graphite, diamant,
noir de fumée.
Alliées avec le fer, les atomes de carbone remplissent plus ou moins les interstices
(ou vides) laissés entre les atomes de fer de chaque maille. Les propriétés
sont modifiées, et selon les proportions, on obtient acier (0,008% à 1,7% carbone)
ou fonte (1,7% à 6,67% carbone).
Selon la température et le pourcentage de carbone, on obtient plusieurs composés,
qui peuvent coexister: perlite, ferrite, cémentite, austénite…. Les opérations
diverses effectuées sur les aciers ont pour seul enjeu de maîtriser le plus
finement possible les proportions de ces composants, car ils définiront par
la suite les propriétés physiques de l’acier. A noter : l’état austénitique
nécessite une température supérieure à celle des autres états.
B- Refroidissement et
retraitements
Les aciers, au fur et à mesure qu’on les chauffe, atteignent tous (après différents
stades) l’état austénitique. Un refroidissement lent et contrôlé permet de choisir
le type de conversion que va subir l’austénite, et on a alors 3 catégories :
acier eutectoïde, hypoeutectoïde ou hypereutectoïde (à retenir pour être d’un
obscur pédantisme dans les dîners mondains). On obtient alors perlite, ferrite…Nous
ne rentrerons pas dans les détails, sachez seulement que ces divers aciers sont
les plus courants, mis à part celui employé chez Rolex (d’où les prix pratiqués).
Nous y reviendrons par la suite.
On peut par la suite retraiter l’acier néoformé : le traitement thermique est
l’opération qui consiste à conférer à l’acier la dureté nécessaire pour l’usage
choisi. Cette dureté atteinte sera fonction de l’acier, et un traitement thermique
raté rend nul les possibilités d’usages du métal.
La TREMPE vise à éviter la transformation de l’austénite en divers composés,
ou du moins à la contrôler : à la température de l’état austénitique, on refroidit
brutalement l’acier. Si l’eau est glacée, l’austénite n’a pas le temps de perdre
ses atomes de carbone, on a alors la martensite, cassante au possible et inutilisable
telle quelle, bien que la dureté soit extrême. Si par contre l’eau est tiède,
ou qu’on emploie l’huile ou l’air, la martensite peut coexister avec d’autres
composés aux noms barbares, voire même leur céder totalement la place. Tout
dépend du but final… On notera que les aciers alliés subissent sans problème
la trempe, et par voie de fait, ils y sont quasiment prédestinés.
On effectue ensuite le REVENU, dans le but de corriger la fragilité excessive
de la martensite : on amène et on maintient la pièce d’acier à moins de 700°,
puis on refroidit très lentement. Selon la température de réchauffage, on peut
détruire totalement la trempe (si on dépasse 700° notamment, ce qui est alors
un RECUIT), ou bien au contraire potentialiser la martensite et la rendre stable.
On profite alors de son incroyable dureté…
C- Influence des éléments
d’addition
Aluminium : désoxydant, augmente un peu la trempabilité, diminue le grain.
Bore : améliore la trempabilité des aciers à faible et moyen pourcentages de
carbone.
Chrome : élément augmentant le plus la résistance à la corrosion et à l’oxydation.
Cobalt : permet une grande dureté à température élevée.
Manganèse : neutralise la fragilité engendrée par les sulfures et augmente fortement
la trempabilité.
Molybdène : augmente fortement la trempabilité, neutralise en partie la fragilité
due à la trempe, augmente résistance, dureté à chaud, résistance à l’abrasion
et à la corrosion des inox, favorise un grain plus fin.
Nickel : renforce la résistance des aciers non trempés ou recuits, rend austénitiques
les aciers ayant un pourcentage de chrome élevé.
Phosphore-souffre : facilite l’usinage par créations d’imperfections et d’impuretés.
Silicium : diminue le magnétisme de l’acier.
Tungstène : améliore fortement la dureté et la résistance à l’abrasion, en usage
normal ou à températures élevées.
Vanadium : favorise un grain plus fin, augmente la trempabilité.
Remarque : on appelle acier allié le mélange fer+carbone+autres éléments…et
in inox contient au moins 13% de chrome…
D- Et l’horlogerie…
?
Rolex utilise un « acier inoxydable austénitique, groupe nickel chrome », qui
présente les caractéristiques suivantes : tenue aux températures élevées et
à l’écaillage, ductilité élevée, soudure et forge aisés, usinabilité médiocre,
degré de dilatation élevé, faible conductivité thermique. De par sa structure
moléculaire, le nickel n’est pas en contact de la peau, ce qui en fait donc
un acier anallergique.
A l’inverse, tout le reste de la production horlogère utilise des « aciers inoxydables
ferritiques », dont la principale caractéristique est une grande facilité à
être étirés, forgés, pliés, roulés, formés. L’usinabilité reste médiocre, la
soudure se fait sous certaines conditions, et le risque de rupture aux températures
élevées est marqué. Autre problème, il y a un risque d’allergie, tout particulièrement
l’été, où la sueur constitue une première agression du derme.
J’en profite pour parler du « maillechort » : c’est un alliage non-ferreux,
fait de cuivre, de zinc et de nickel (souvent dans ces proportions, respectivement
: 55%, 27%, 18%). C’est une sorte de laiton auquel on aurait rajouté du nickel,
et qui serait peu coûteux…
E- Exemples de duretés
HRc des principaux aciers (brut-trempé)
154CM : 59-61
12C27 : 54-56
420: 52-56 (tendre mais très résistant à la corrosion)
440A: 55-57 (équivalent au 316 AISI)
440C: 58-60
ATS-34: 59-61
AUS-6: 57-58 (les lettres AUS abrègent le mot austénite)
AUS-8: 58-59
CPM440V: 55-57
D2: 59-63
M-2: 60-65
VG-10: 58-60
3°) LE TITANE
A dimensions identiques, il est 40% plus léger que l’acier, et est par ailleurs
complètement résistant à la corrosion. On remarquera qu’il est amagnétique,
et s’il est utilisé en alliage, il offre une résistance à l’abrasion correcte,
et pourra atteindre 47 HRc. La résistance mécanique est améliorée par l’aluminium
et le vanadium.
Schématiquement, le titane se présente sous deux structures cristallines, avec
passage réversible à 882° : alpha et béta (le second étant le moins dense).
Le titane présente une résistance exceptionnelle à la corrosion et aux attaques
chimiques du fait de la formation d’un film protecteur d’oxyde, sorte de pellicule
protectrice. Par contre, les solutions très chaudes ou très concentrées (sel
ou acide) ont tendance à l’attaquer, ceci dit bien moins que certains métaux
ou alliages.
Le titane possède d’autre part une bio compatibilité bien supérieur à celle
des autres métaux.
Les différents alliages de titane (comme d’autres aciers d’ailleurs) sont nommés
« nuances », et on en distingue 3 principales : T40 (résistance à la corrosion),
T60 (résistance mécanique accrue), TA6V (bonne tenue mécanique, soudable).
Sa bio compatibilité s’explique par sa conductivité électrique nettement inférieur
à celle des autres métaux, et à l’absence de l’ion titane dans l’organisme humain.
En conclusion, je parlerai donc des céramiques….que ce soit les couteaux ou
les lames, la réalisation se fait par moulage dans des céramiques hi-tech, les
« oxydes de zirconium ». Eh oui, les strass, les faux diamants… le zirconium
est un métal particulièrement instable (tel le sodium), mais son oxyde est de
structure cristalline, et sa dureté juste après celle du diamant (mais loin
devant l’acier). Les réalisations en céramique présentent certains avantages
indéniables : amagnétique, insensible aux changements de température, non conducteur
d’électricité, énorme résistance à l’abrasion/érosion, résistance totale aux
attaques chimiques. En contre-partie, les chocs, petits ou grands, sont susceptibles
de faire céder la pièce.
Guardala
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