Classification des aciers
Aciers d'usage général
Aciers fins et spéciaux
Traitement thermique
Contrôle des pièces et essais en atelier

La filière fonte


On identifie généralement deux catégories principales d'aciers.

Du point de vue de sa composition chimique, on peut cataloguer les aciers non-alliés et les aciers alliés. La frontière entre les deux varie en fonction des éléments additionnés. Par exemple, un acier à plus de 0,50 % de Silicium est allié. En dessous de ce taux, il ne l'est pas.

Du point de vue de son utilisation, on parle alors d'aciers d'usage général, d'aciers fins et spéciaux. Ce point de vue intègre d'ailleurs le précédent, dans la mesure où selon l'usage et les propriétés que l'on veut obtenir, on agira sur la composition chimique de la matière.


  Aciers d'usage général

Centre Georges Pompidou, Paris, 1971
Architectes : Richard Rogers et Renzo Piano




Désignations des aciers non alliés


Ce sont des aciers non-alliés qui correspondent à la grande consommation de la construction métallique.

La classification des aciers couramment utilisée dans le bâtiment désigne les aciers par leur nuance et leur qualité.

La nuance d'un acier se définit en fonction de sa composition chimique ou selon des critères attachés à son utilisation comme sa résistance à la traction. Les nuances les plus couramment utilisées dans la construction sont les suivantes :

 

S.235 est la nuance la plus utilisée

 

S.275 et S.355 sont plus rarement utilisées

Le groupe acier est définit par une lettre. Ici "S" représente l'acier de construction.

Les valeurs 235, 275 et 355 correspondent aux limites d'élasticité exprimées en N/mm2.

On désigne également pour chaque nuance des classes de qualité (qui vont de la basse qualité à la très haute qualité) JR, JO, J2, G3. Les qualités des aciers se distinguent notamment par leur degré de soudabilité.

La qualité des aciers est également définie par un essai de résistance à la traction. Elle va dépendre de la teneur en carbone, et par la présence ou non d'autres éléments.

  Aciers fins et spéciaux

Ce sont des aciers à très faible teneur en carbone qui résistent à des traitements thermiques et des aciers alliés à haute résistance. Dans cette famille d'aciers, ceux qui sont utilisés en construction sont plus particulièrement les aciers inoxydables et les aciers autopatinables.


Aciers inoxydables

Composition d'un acier inox 18-8
Les trois familles d’aciers inoxydables


Chrysler Building, New-York, 1929
Architecte : William Van Alen


Surfaces miroitantes de l’inox poli
Belvédère de Kielder, Northumberberland, Angleterre,
Architecte : Softroom
Source : « XS : grandes idées, petites constructions » de Phyllis Richardson, Ed. Thames & Hudson, 2002


Harry Brearley découvre l'acier inoxydable en 1912 en voulant stopper les phénomènes d'érosion d'un canon de fusil. En 1913, il fabrique un acier avec 12 % de chrome et le teste en utilisant des agents attaquants comme l'acide nitrique, le vinaigre et des aliments acides concluant que l'acier résistait à ces attaques. Mais c'est son successeur, le Dr W. Hatfield qui, en 1924, inventa l'acier inoxydable 18/8 le mélange le plus connu.

La première application remarquable dans la construction remonte à 1929 avec la couverture et la flèche du Chrysler Building. La brillance métallique du matériau renforcée par l'amoncellement d'écailles et les énormes têtes d'aigles, à l'image de celles qui ornent le capot des voitures du constructeur, reflètent la puissance de la marque automobile.

Le matériau verra d'autres applications dans le bâtiment avec en 1950 l'apparition de l'évier inox.

Les aciers inoxydables sont des aciers alliés avec une teneur en chrome supérieure ou égale à 10,5 % et une teneur en carbone inférieure ou égal à 1,2 %. Ils présentent des propriétés de résistance à la corrosion dans la masse qui sont essentiellement dues à la présence du chrome. D'autres éléments peuvent être ajoutés à l'alliage de base si l'acier doit résister à des milieux très agressifs. Le nickel, le molybdène, le cuivre, le silicium en sont quelques-uns.

Ces aciers sont quasiment inutilisés dans la charpente métallique parce qu'ils sont trop coûteux. En revanche, ils sont utilisés pour la couverture, le bardage, les menuiseries, le mobilier, les mailles tissées, les grilles et caillebotis et plus récemment comme fers à béton.

Il existe plusieurs états de surface de l'acier inoxydable. C'est le plus souvent ses qualités de brillance qui sont recherchées en architecture.

Mais l'inox peut être coloré en particulier par l'application d'un vernis ou par traitement électrochimique avec des effets particuliers d'irisation. Par ailleurs différentes techniques de pointe permettent d'imprimer des motifs sur l'acier inoxydable : teinture par procédé chimique, gravage par microbillage, sérigraphie (photographies, dessins, …) ce qui multiplie encore les aspects possibles de l'inox.


Aciers auto-patinables



Deere & Company, Moline, Illinois, Etats-Unis, 1957-1963
Architecte : Eero Saarinen
Source : revue A+U, 1984

Composition de l'acier autopatinable

Tôle d’acier autopatinable découpée
Abribus à Landshut, Allemagne,1999
Architecte : Hild & Kaltwasser
Source : revue Détail, n°4, 1999

Lancé en 1932 aux Etats-Unis sous le nom commercial de Cor-Ten, l'acier auto-patinable se développe au milieu des années 1960. Il est adopté par les ingénieurs à cause de sa résistance à la corrosion et de sa haute limite d'élasticité. L'absence de frais d'entretien et l'allégement de la structure qui en résultent entraînent d'appréciables économies. Plusieurs milliers de ponts sont ainsi réalisés aux Etats-Unis. En architecture c'est la qualité et la force d'expression du matériau qui en font ses qualités les plus appréciées.

Le premier bâtiment fait d'acier auto-patinable par Eero Saarinen est terminé en 1963. C’est le siège administratif de John Deere & Company à Moline (USA). Ce bâtiment, destiné à un fabricant d'équipement de ferme, utilise l'acier auto-patinable en structure et en façade. Le choix de cet acier laissé sans finition est fait pour rappeler la couleur de la terre nouvellement labourée de Midwestern qui est proche de la couleur foncée de l'acier Cor-Ten.

Les aciers auto-patinables sont composés d'un très faible pourcentage de cuivre, de chrome et de nickel. Cet alliage a la propriété, sous certaines conditions d'exposition, de se recouvrir progressivement d'une fine couche protectrice d'oxydes très adhérente qui lui confère alors une bonne résistance à la corrosion.

Le phénomène est le suivant : dans une première phase d'attaque à la corrosion, il se forme un film de sulfates de cuivre, de nickel et de chrome. Ce film produit un blocage des porosités de la rouille et devient compact adhérent et imperméable.

L'aspect de la patine est finement grainé et d'une couleur brun-orange. Cette patine se forme si l'acier est exposé aux intempéries. L'acier auto-patinable se prête à tous les usinages. Il peut être peint ou galvanisé.

Cet acier fabriqué en nuance S 355 fait que ses propriétés mécaniques sont plus élevées que celles d'un acier classique au carbone. Il répond bien aux ouvrages où ces performances sont recherchées comme les ouvrages d'art, silos, pylônes mais aussi à ceux où un minimum d'entretien est recherché.

La conception des ouvrages en acier auto-patinable doit prendre en compte le ruissellement des eaux de pluie qui entraîne l'élimination d'une partie des oxydes formés par la corrosion. Les particules présentent dans l'eau peuvent se déposer sur les matériaux voisins.


  Traitement thermique

Refroidissement à l’eau de tôles pour acquérir les caractéristiques d’un acier à haute limite d’élasticité
Source : l'acier, 1991




Trois matériaux de structure pour un immeuble




Reconstruction totale du volume intérieur de l’ancien immeuble France Soir à Paris
Architecte : Cabinet Ory


Pour arriver à son stade final, l'acier subit un traitement thermique qui a pour but de donner à une pièce métallique les propriétés les plus appropriées pour son emploi (limite d'élasticité, résistance à la corrosion, diminution du coefficient de dilatation, etc.) ou sa mise en forme (aptitude au pliage, à la soudure, etc.).

Cette opération de chauffage suivi de refroidissement ne modifie pas la composition chimique de l'alliage mais apporte quelques modifications au niveau de la constitution et de sa structure. Cela s'applique sur la grosseur du grain et la répartition des constituants.

On distingue trois principaux traitements thermiques :

 

la trempe consiste à réchauffer le métal à une température de trempe et à le refroidir rapidement dans un milieu d'eau, d'huile ou d'air. Dans le domaine du bâtiment les propriétés de ce traitement s'appliquent plus particulièrement aux aciers alliés comme l'acier inoxydable, les aciers devant résister aux acides, etc. Une des performances de ce traitement, complété avec celui du revenu, est d'augmenter la résistance à la rupture tout en conservant une ductilité suffisante.

 

le revenu est une étape qui suit la trempe afin d'éviter une trop grande fragilité de l'acier trempé lors de sa mise en service. Le revenu réalise un compromis entre deux exigences que sont la dureté et la résilience. Il augmente ou diminue la résilience et sa dureté, sa limite d'élasticité et sa résistance à la traction.

 

le recuit sert à la réduction des tensions dans la pièce. Celles-ci apparaissent après l'usinage ou le soudage, afin d'optimiser la fidélité aux cotes lors d'un traitement thermique ultérieur ou d'éviter les fissures dues à des tensions.

La fabrication d'acier à haute limite d'élasticité (HLE), obtenue par traitement thermique, illustre la capacité qu'à l'acier a diminuer de section pour supporter plus. Exemple de l'immeuble France Soir à Paris : la reconstruction du volume intérieur en acier HLE en structure a permis de libérer 100 m2 de surface.


  Contrôle des pièces et essais en atelier

Le contrôle de la qualité de l'acier, de l'absence de défauts externes et internes, de la rectitude des dimensions, se fait sur des échantillons prélevés dans les pièces usinées. Il n'est pas possible de tester toutes les pièces fabriquées, d'une part parce que cela est coûteux et d'autre part parce que les essais sont destructifs et rendraient les pièces inutilisables.

Les essais portent sur la composition chimique et sur les propriétés mécaniques, qui intéressent plus particulièrement la construction. Les essais mécaniques testent le matériau en traction, en dureté, en résilience, en pliage, etc. Le contrôle des dimensions autorise une certaine tolérance dans les erreurs, du fait des imperfections qui peuvent survenir à la fabrication.