Un acier est un alliage métallique constitué principalement de fer et de carbone. Il se distingue des fontes et des ferroalliages par sa teneur en carbone comprise entre 0,02 % et 2 % en masse. C’est essentiellement cette teneur en carbone qui confère à l'acier ses propriétés mécaniques de dureté, de résistance et d'élasticité. Depuis le , les aciers sont très utilisés dans l'industrie, le bâtiment et les travaux publics (BTP) et le génie civil et militaire ; purs ou sous forme d'alliages, et souvent améliorés par des traitements thermiques, mécaniques et chimiques agissant sur leurs propriétés mécaniques (recuit, trempe, revenu, cémentation, nitruration et carbonitruration), leur dureté, résilience et de résistance à l'usure et à la corrosion.
Histoire
L’âge du fer se caractérise par l’adaptation du bas fourneau à la réduction du ferLe bas fourneau a été mis au point pendant l’âge du bronze pour la réduction du cuivre plus facile car se faisant à plus basse température : d’après le diagramme d'Ellingham, le CO réduit efficacement les oxydes de cuivre au-delà de , alors qu’il faut dépasser pour réduire les oxydes de fer.. Ce bas fourneau produit une loupe, un mélange hétérogène de fer, d’acier et de laitier, dont les meilleurs morceaux doivent être sélectionnés, puis cinglés pour en chasser le laitier.
En comprimant l'air par des grands soufflets, générant ainsi un courant d'air ou vent plus ou moins continu, la combustion des lits successifs de minerais de fer choisis broyés et de charbon de bois spécifique dans un haut fourneau est attisée, et lorsque la température de fusion du métal est atteinte, une matière métallique fondue liquide nommée fonte peut être coulée puis moulée. En effet, deux phénomènes complémentaires se déroulent dans le creuset au cœur du haut fourneau : le fer se charge de carbone lorsqu’il arrive au contact du charbon de bois, ce qui abaisse son point de fusion. Puis ce métal fondu continue à s’enrichir en carbone, en dissolvant le charbon de boisL’absorption du carbone s’arrête lorsque le métal en est saturé. La teneur en carbone de la fonte dépend donc uniquement de sa température : plus une fonte liquide est chaude, plus elle peut absorber de carbone..
S'il faut attendre en Europe occidentale entre la fin du et le la généralisation du haut fourneau, les premières coulées de fonte sont réalisées par les Chinois durant la période des Royaumes combattants (entre -453 et -221). Ceux-ci savent aussi brûler le carbone de la fonte, en le faisant réagir avec de l’air, pour obtenir de l’acier. Il s’agit du procédé indirect, car l’élaboration de l’acier se fait après l’obtention de la fonte. En Europe et en Asie, durant l’Antiquité, on produisait également de l’acier en recarburant le fer avec des gaz de combustion et du charbon de bois (acier de cémentation).
Le mot « acier » apparait en ancien français des chansons de gestes, sous la forme « acer », désignant un , dans la Chanson de Roland après 1080 et sous la forme primitive « acier » dans le Voyage de Charlemagne au Dauzat, Dubois, Mitterand, Nouveau dictionnaire étymologique et historique, Larousse, Paris, 1964, 4e édition. Entrée acier, p. 8. La définition anachronique du terme « acer » est donné par le TLF i, infra. Ce substantif masculin apparaît aussi précocement en champenois sous la forme technique « açiir » dans les gloses de Raschi de Troyes dans la seconde partie du Darmesteter-Blondheim, Les Gloses françaises dans les commentaires talmudiques de Raschi, Bibliothèque de l' École des hautes études, 254e fasc., tome 1, n° 1, selon l'entrée acier dans le TLF i. Le lexicologue Albert Dauzat mentionne sa provenance du mot bas latin ou , mot dérivé du latin classique féminin , pointe d'une arme, d'un instrument, et par métonymie tranchantDauzat, ibidem, entrée acier, . Le mot féminin est polysémique selon le Dictionnaire illustré de latin français, rédigé par Félix Gaffiot, il peut aussi indiquer au choix l'éclat des astres, la pénétration, la force pénétrante ou perçante, par exemple en parlant des yeux, ou encore la ligne de soldats, l'armée rangée pour la bataille et enfin la bataille rangée ou confuse.. Selon le Trésor de la langue Française, le mot , décrit en (fer dur) peut être considéré comme l'équivalent tardif du mot latin classique de genre masculin , désignant l'acier en référence aux fabrications de grande réputation des ChalybesLa dérivation initiale vers n'est pas pertinente pour un apport sémantique, autre que métonymique, selon le TLF, puisque plus commun ou trivial s'est substitué au mot des lettrés, .. Le mot féminin latin , au sens d'un outil tranchant, en particulier la hache d'airain utilisée dans les sacrifices romains, est aussi un dérivé de Dictionnaire illustré de latin français par Félix Gaffiot et TLF i. Vers 1100, les emplois métonymiques du mot en ancien français sont déjà communs : tranchant, pointe de l'épée, arme acéré, dur comme l'acier. Dans la Chanson des Saxons, certains combattants ou hommes sont "d'acier dur trempé".. Le mot français acier appartient à la même famille que l'adjectif « acéré » Si le verbe « aciérer » en moyen français est attesté en 1470, les mots communs de la technique, aciérie, aciérage et aciération ne sont attestés respectivement qu'en 1751 dans l'Encyclopédie, 1753 sous la plume du traducteur Diderot et 1793 dans l'Encyclopédie méthodiqueDauzat, ibidem, entrée acier, p. 8. Le terme aciériste n'apparaît qu'en 1932 dans le Larousse mensuel illustré.. Ces derniers mots techniques se répandent surtout après la fin du .
Réaumur, en réalisant de très nombreuses expériences et en publiant les résultats de ses observations en 1722, fonde la sidérurgie moderne : il est le premier à théoriser le fait que l’acier est un état intermédiaire entre la fonte et le fer pur, mais les connaissances techniques et l'instrumentation du temps ne lui permettent pas d’être suffisamment précisRoland Eluerd, Les Mots du fer et des Lumières, Paris, Honoré Champion, Genève, Slatkine, 1993, . Il faut attendre 1786 pour que la métallurgie, alors dominée par les théories obsolètes de Stahl et du phlogistique, devienne scientifique : cette année-là, Berthollet, Monge et Vandermonde de l'école de Lavoisier présentent devant l’Académie royale des sciences un Mémoire sur le fer dans lequel ils définissent les trois types de corps : le fer, la fonte et l’acierScience et Vie, , novembre 2009, pour l'apport à la métallurgie scientifique.Alexandre-Théophile Vandermonde, Claude-Louis Berthollet, Gaspard Monge, Mémoire sur le fer considéré dans ses différens états métalliques, , « Lû à l‘Académie Royale des Sciences, au mois de mai 1786. Le fer est alors l'aboutissement de la voie naturelle impliquant des procédés complets d'affinage de la fonte coulée du haut fourneau. Différents aciers sont obtenus par (nécessairement incomplète), par cémentation, ou par fusion au creuset de ces deux premiers types d'acier : ce sont selon les trois savants, l'acier naturel, l'acier de cémentation et l'acier fondu. L’acier en général est plus tenace et plus dur que le fer, et surtout moins fragile que la fonte cassante, mais chaque transformation intermédiaire pour l’obtenir augmente son coût.
La révolution industrielle se caractérise par la mise au point de nouvelles méthodes de fabrication et conversion de la fonte en acier. En 1856, le procédé Bessemer propose de produire directement l’acier à partir de la fonte. Son amélioration par Thomas et Gilchrist permet sa généralisation. Ces applications mènent à la fabrication en masse d’un acier de qualité après 1880. D'un point de vue scientifique, vers la seconde moitié du , Dmitri Tchernov découvre les transformations polymorphes de l’acier et établit le diagramme binaire fer/carbone, dotant la métallurgie en dehors de son champ empirique d'une description technique cohérente.
Composition chimique L'acier est un alliage à base de fer dont la teneur en carbone se situe entre environ 0,02 % et 2 % en masseValeur supérieure de la teneur en carbone :
Cependant, les valeurs retenues varient selon les auteurs, entre 1,67 et 2,11 %, selon que l’on se base sur les teneurs habituellement utilisées par les fabricants ou les valeurs des diagrammes obtenus en laboratoire., et qui peut contenir d'autres éléments chimiques volontairement ajoutés (éléments d'addition, éléments d'accompagnement) ou non (impuretés).
Les « éléments d'addition » sont ajoutés de manière intentionnelle pour conférer au matériau les propriétés recherchées. Il s'agit principalement du manganèse (Mn), du chrome (Cr), du nickel (Ni) et du molybdène (Mo).
Les « éléments d’accompagnement » sont utilisés par l’aciériste en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir un acier conforme à la spécification. C’est le cas d’éléments comme l’aluminium, le silicium, le calcium.
Les « impuretés » sont des éléments originellement présents dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l’acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) présent dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l’étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi que nombre d’autres éléments à bas point de fusion comme l’arsenic (As) et l’antimoine (Sb).
La teneur en carbone affecte fortement la dureté de l’alliage. On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d’autres éléments, principalement métalliques ; on parle alors d’aciers « alliés ». On peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes ou la cémentation) ; on parle alors d’aciers « traités ».
Teneur en carbone thumb|Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser les conditions d’existence des formes d’acier, en absence d’éléments gammagènes et de trempe. Le carbone a une importance primordiale car c’est lui qui, associé au fer, confère à l’alliage le nom d’acier. Son influence sur les propriétés mécaniques de l'acier est prépondérante. Par exemple, en ce qui concerne l'amélioration de la propriété de dureté, l’addition de carbone est trente fois plus efficace que l'addition de manganèse.
La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l’acier : en dessous de 0,008 %, l’alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2,1 %Les sources diffèrent, on retient ici la valeur de 2,1 % ; quoi qu’il en soit, cette valeur est théorique car on n’utilise dans la pratique aucun acier non allié avec une telle teneur en carbone. Pour le diagramme métastable fer/carbure de fer : : 2,08 % ; : 2,11 % ; : 2,11 % ; : 2,14 %. Pour le diagramme stable fer/graphite, la valeur est de 2,03 % (Philibert , ), on entre dans le domaine de l'eutectique fer/carbure de fer ou bien fer/graphite, ce qui modifie profondément la température de fusion et les propriétés mécaniques de l'alliage, et l'on parle de fonte.
Entre ces deux valeurs, l’augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la dureté de l’alliage et à diminuer son allongement à la rupture ; on parle d’aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » selon la « classification traditionnelle ». +Classification traditionnelle aciersDuretéTeneur en carbone (%)Acier extra-doux< 0,15Acier doux0,15 - 0,25Acier demi-doux0,25 - 0,40Acier demi-dur0,40 - 0,60Acier dur0,60 - 0,70Acier extra-dur> 0,70
Dans les manuels de métallurgie un peu anciens, on peut trouver comme définition de l'acier un alliage fer-carbone où le carbone varie de 0,2 à 1,7 % ; la limite actuelle a été établie à partir du diagramme binaire fer/carbone. Toutefois, il y a des aciers avec des concentrations de carbone supérieures à ces limites (acier lédéburitiques), obtenus par frittage.
On distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage massique de carbone qu’ils contiennent : les aciers hypoeutectoïdes (de à 0,77 % de carbone) qui sont les plus malléables ;