Aperçu sur les aciers du point de vue de leur rapport avec la physique

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Aperçu sur les aciers du point de vue de leur rapport

avec la physique

Albert Portevin

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

ET

LE

RADIUM

APERÇU

SUR LES AGIERS DU POINT DE VUE DE LEUR RAPPORT AVEC LA

_PHYSIQUE

₍₁₎

Par ALBERT PORTEVIN.

Sommaire. 2014 Il

y a _{intérêt, pour les physiciens,} à porter leur attention vers les aciers actuels, non

seulement en raison des _{remarquables propriétés physiques qui} ont été _obtenues, mais aussi en raison de leurs _{propriétés mécaniques, lesquelles} doivent être envisagées sous le double _aspect de leur

carac-térisation et des valeurs atteintes actuellement.

La caractérisation adoptée pour les propriétés mécaniques fait _appel à des _paramètres ou coefficients conventionnels _qui sont à _proprement parler des coefficients d’identification, expression des _propriétés

complexes, fonction de nombreux facteurs dont on souligne la différence avec les _{propriétés physiques.} Ils doivent servir de trait d’union entre les fabricants et les utilisateurs, chacun d’eux _{ayant établi,} par une _{longue expérience,} leurs rapports avec les conditions et facteurs de fabrication d’une part, et les conditions d’emploi d’autre part.

La classification des aciers industriels se _fait, en _général, soit _d’après la composition chimique

élémentaire, soit d’après les _{propriétés mécaniques.} Il est donné un essai de classification synoptique

basé sur la structure, cristalline et micrographique, en tenant _compte des _{propriétés caractéristiques,}

mécaniques et _chimiques, à froid et à chaud, après avoir rappelé très sommairement les notions essentielles

concernant la transformation et la structure des aciers.

On en _dégage des indications _{utiles pour la construction des} appareils de physique et des réflexions

générales concernant le rôle de solutions _approchées ou temporaires, quelque problème théorique qui se _{pose ainsi que les apports} de la _{métallographie} à la _physique.

En conclusion, on compare les progrès de la métallurgie à ceux de la _physique, en _{admettant que le} progrès est fonction _{exponentielle} du _temps.

Introduction.

1.

_Objet

de

_l’exposé.

-

Si j’ai, après

un notable

hystérésis,

accepté

la

_suggestion

de notre Président Chevenard de vous entretenir des

aciers,

c’est que,

je

crois - et t’est là _{mon excuse} -

que ce

_sujet

n’a pas encore été abordé devant vous,

quoiqu’il

mérite

cependant

de retenir l’attention des

_physiciens

à

divers

_points

de vue. En voici

_{quelques-uns :}

i° Dans l’utilisation des aciers pour les

appareils

de

_physique,

il

_importe

de connaître les ressources

que

peut

offrir la

_sidérurgie

ainsi _{que les} difficultés

qu’elle

rencontre à l’heure actuelle.

2°

_Mais,

_auparavant,

il est bon de définir les

propriétés qui

servent couramment à caractériser

ou à identifier ces

_produits,

non _{pas tant les}

pro-priétés

physiques

que vous

_connaissez,

mais les (~) Conférence faite à la Société française de _Physique, le 5 _{juin 1941.}

propriétés

mécaniques qui

sont

_pratiquement

définies par des

paramètres

conventionnels sur

_lesquels

il ne me

_paraît

_{pas inutile}

_d’appeler

l’attention des

physiciens.

S’ils voulaient un _peu se

_pencher

vers ces

_problèmes

de caractérisation

_mécanique,

ils

apporteraient

sans nul doute un

_précieux

concours

dans un domaine demeuré à _peu

_près

exclusivement,

jusqu’à présent, l’apanage

des

_ingénieurs.

Aussi

bien,

c’est par l’intervention de ces

pro-priétés mécaniques

dans leur caractérisation

cou-rante et commerciale que les

produits métallurgiques

appartiennent

à la

_physique.

Et,

en

cela,

ils diffèrent

des

_produits

_{chimiques, lesquels}

sont _{définis par}

leur

_{composition chimique}

usuelle.

On

_peut

_{dire que} la

_{métallurgie,}

tant comme

branche de la science que comme branche de

l’in-dustrie,

est à cheval sur la

_physique

et la

chimie;

elle

_appartient

autant à l’industrie

_{chimique qu’à}

l’industrie

mécanique.

30

Enfin,

ce

_qui

est essentiellement du domaine

du

_physicien,

c’est l’étude des

_phénomènes

et

facteurs

_qui

_permettent

l’obtention

de ces

_{propriétés,}

lesquelles

sont fonction de la structure

_{envisagée à}

tous ses

_degrés

et avec toutes ses transformations.

2. Limitation du

_sujet.

- Comme _vous le

voyez,

j’ai

limité mon

_exposé

aux aciers d’une

_part,

aux

_{propriétés mécaniques}

d’autre

_part.

Parmi les

_{produits métallurgiques}

industriels,

nous

n’envisagerons

en _{effet que les}

_aciers;

nous laisserons

de côté les

_{alliages légers qui}

ont été

_{déjà présentés}

devant vous, les

_alliages

de cuivre et de nickel

dont les métaux de base font actuellement

défaut,

les

_alliages

blancs ou

_alliages

_fusibles,

_{parmi lesquels}

cependant

ceux à base de

_plomb

et de zinc sont tout à fait d’actualité comme

_produits

de

rempla-cement : ceux de

_plomb

_pour les

_alliages

de

frot-tement,

ceux de zinc comme succédanés de certains

alliages

de cuivre.

Je laisserai même de côté les

fontes,

malgré

l’in-térêt

_qu’elles

_présentent

_{pour le frottement} et

l’obtention des

_produits

moulés,

et

_malgré

les

_grands

progrès

réalisés

_depuis

une

_vingtaine

d’années au

point

de vue de leur résistance

_mécanique.

Mais il

faut savoir se limiter et le

_sujet

ainsi circonscrit est encore tellement vaste _que

_je

me bornerai à un

simple

aperçu, un _{coup d’aeil d’ensemble forcément} un _peu

_superficiel.

A vrai dire

même,

ce sera

_plutôt

une causerie au cours de

_laquelle,

en toute

_simplicité,

je

vous ferai

_part

de

réflexions,

dont une carrière

déjà longue

m’a convaincu de

_{l’importance,}

tout

en vous demandant votre

_indulgence

si elles vous

apparaissent

banales et élémentaires.

Je m’excuse aussi d’aborder devant vous une

question

de science

_appliquée,

ou

_{d’application}

de

la

science,

bien loin des

_{préoccupations}

de haute théorie

_auxquelles

vous êtes accoutumés. Ce sera une

_détente,

une diversion

_qui

vous

inclinera,

_je

l’espère,

à la bienveillance à mon

_égard.

Si,

d’autre

_part,

_je

me limite volontairement aux

propriétés mécaniques,

ce n’est certes _{pas que} ces

propriétés

dominent exclusivement

_l’emploi

des

métaux; loin de là : le choix d’un

_alliage,

d’un

matériau

_{métallique, dépend}

de

_beaucoup

d’autres facteurs que nous pouvons grouper en trois

caté-gories :

i°

_Propriétés

à l’état

_d’emploi,

non seulement

propriétés

mécaniques,

mais aussi

_propriétés

phy-siques

et

_{chimiques; propriétés qui}

sont

_envisagées

dans les conditions

_d’usage,

notamment de

tempé-rature et

_{d’atmosphère;}

2° Procédé de

_façonnage

_permettant

l’obtention

de la forme

désirée;

propriétés

plus complexes,

encore

plus

malaisées à

définir,

et

_qui

sont mises en

_jeu

lors de l’obtention des

_pièces

moulées,

forgées,

embouties,

etc....

Dans cette

_catégorie

il faut en _{outre y} introduire les

propriétés

mises en

_jeu

lors des traitements

ther-miques

(propriétés

de

_trempe),

lors de la

prépa-ration des surfaces

_(aptitude

de

_polissage),

lors de la

_préparation

_{d’assemblages,}

notamment _par

soudure;

3~

Enfin,

ce _{que l’on}

_{pourrait appeler}

les

pro-priétés économiques,

c’est-à-dire le

_prix

et les

possibilités

matérielles de réalisation. Ce

_sujet

est en dehors de vos

_{préoccupations}

et des miennes,

mais on ne

_peut

malheureusement pas le laisser de

côté.

_Si,

en

_temps

de

_paix,

le

_prix

de revient est un

facteur

_{prépondérant,}

en

_temps

de _guerre se substitue

à ce facteur «

_prix

_», dont la

_{signification}

devient

problématique,

celui de «

possibilité

d’approvision-nement et

_d’emploi

de matériaux de

_remplacement

».

Actuellement,

si

_j’ose

dire,

nous cumulons ces deux

difficultés,

nous trouvant en

_présence

à la fois de

prix

excessifs et

_{d’approvisionnements}

raréfiés à

l’extrême. Nous serons donc

_malgré

tout

obligés,

à ce dernier

_point

de vue,

d’envisager

les

consé-quences que cela entraîne sur le choix des

_types

d’aciers.

Si nous nous

_reportons

aux deux

premières

caté-gories

de

facteurs,

nous _{voyons que :}

a. Les

_{propriétés physiques :}

dilatation, élasticité,

propriétés

électriques

et

_mécaniques,

_etc.,

de défi-nition et de mesure

_précises,

sont bien connues de

vous, surtout

_après

les belles études dont les résultats

remarquables

ont été

_{représentés}

_{ici par} le

_regretté

Ch.-E. Guillaume et le Président

Chevenard;

résul-tats

_qui

ont fait

_accomplir

tant de

_progrès,

non

seulement en

_{géodésie, métrologie}

et

_{chronométrie,}

but

_original

de ces

_études,

mais dans bien d’autres

domaines.

b. Les

_{propriétés chimiques envisagées}

sous

_l’aspect

de la résistance

_{chimique à}

_{la corrosion par le} milieu

extérieur,

ont

aussi,

de leur

côté,

réalisé des

_progrès

encore

_plus

extraordinaires sous forme

de ces aciers dits «

inoxydables

»,

qui

ont amené

une rénovation

_complète

de

_{l’outillage}

industriel,

qui

sont

_{appelés à}

une extension considérable dans

tous les domaines et dont

_{je compte}

vous dire

quel-ques mots.

Cette résistance à la corrosion est d’ailleurs liée intimement à la durée

_d’emploi

des

_métaux,

inter-venant dans la résistance

_mécanique

et la résistance

à la

_fatigue,

_lesquelles

inversement

_réagissent

sur

l’attitude

_chimique.

c. Mais un domaine dans

_lequel

les

_physiciens

apporteraient

un

_précieux

concours est celui des

propriétés

de

_façonnage,

_propriétés

complexes

que l’on s’est eff orcé

_d’analyser

ces dernières années et de caractériser

_{empiriquement,}

ce

_qui

d’ailleurs a

suffi pour

accomplir

des

_progrès

notables en facilité

et

_{régularité.}

C’est un

_{sujet qui}

mériterait à lui seul

un

_exposé

_{spécial puisque j’y}

ai trouvé

matière,

il y a

_quelques

_{années, à}

trois conférences à

que cette considération de

possibilité,

de

rapidité

et

de facilité de

_façonnage

conduit à

_envisager

deux

catégories

pratiques d’alliages :

io

_Alliages

de

_forge

ou

_alliages

_forgeables,

c’est-à-dire suffisamment déformables

plastiquement

à

chaud;

2°

_Alliages

de

_{fonderie, forgeables}

ou non, mais

possédant

un ensemble de

_{propriétés appelées}

«

_propriétés

de fonderie »

_permettant

l’obtention de

moulages

sains,

c’est-à-dire

_compacts

et

_continus,

propriétés multiples

que

je

me suis efforcé

_d’analyser

par

ailleurs,

mais que

je

ne

_puis

_envisager

cette fois.

Ces deux

_grandes

_catégories

ne

_{correspondent qu’au}

façonnage

sans enlèvement de matière

(Spanlose

Bearbeitung),

mais _{il y} a encore le

façonnage

avec

enlèvement de matière à l’outil ou _{par copeaux,}

que l’on

appelle

couramment

l’usinage,

et

qui

s’applique

à ces deux

_{catégories d’alliages,}

mettant en

_jeu

une

_{propriété complexe}

_{particulière :}

l’usina-bitité

_{(machinability), qui}

est

_également

un facteur

à considérer et

_{qui requière}

_l’emploi

de matériaux de coupe, aciers ou

alliages

_pour

outils,

_pour

lesquels

d’énormes

_progrès

ont été

_accomplis.

Cette

_opération

d’usinage,

de même _{que le}

frottement,

l’usure,

le

_polissage

et

l’abrasion,

doivent retenir l’attention des

_physiciens.

Les

_phénomènes

de

_polissage

ont été _{étudiés par}

les

_{métallographes}

_depuis

_Osmond,

_puis

ont été

interprétés

par

Beilby,

dont les

conceptions

de couches

_amorphes

ont reçu récemment une

intéres-sante

confirmation,

dans leur

réalité,

par

l’analyse

électronique

et, dans leur

_origine,

par les travaux

de Bowden. Comme vous le savez, ces derniers

travaux ont _{mohtré que} les

_phénomènes

de

frot-tement déterminent des élévations de

_température

considérables,

supérieures

dans certains cas

_{à 1000°,}

et

_atteignant

_par suite le

_point

de fusion le moins élevé des deux métaux en contact. Cette fusion

limite la

_température

en

_provoquant

l’écoulement

du métal

_{correspondant.}

Les

_qualités

d’un

_produit

_pour

_{polir dépendraient}

donc,

non _pas tant de sa dureté à la

_température

ordinaire,

mais de son

_point

de fusion par

_rapport

à celui du métal travaillé. Il se trouve _{que les abrasifs}

usuels sont à la fois très durs et très

réfractaires;

cette fusion

_{superficielle explique également}

l’oxy-dation _{par le milieu ambiant antérieurement attribuée}

à la

_pression

interfaciale. Le facteur «

température

de

contact »

_joue

donc dans le frottement et le

_polissage

un rôle aussi

_{prépondérant}

_{que dans}

_l’usinage,

où

il était bien connu des

métallurgistes

_depuis

long-temps.

Les

_qualités

d’un acier ou d’un matériau de

coupe

dépendent

avant tout de sa

_température

d’adoucissement ou _{de détérioration par}

_oxydation;

c’est ainsi que, pour les aciers utilisés à l’état

trempé

afin d’avoir une haute dureté, un facteur essentiel est celui de la

_température

d’adoucissement

ou de début de revenu sensible

_qui

est élevé _{par la}

présence

d’éléments

_s’opposant

au retour à l’état

d’équilibre,

tels que le

_tungstène,

le

_molybdène,

le chrome, etc. ;

l’emploi

d’alliages,

dont la haute dureté

est naturelle et ne résulte pas de l’effet de la

_trempe,

permet

d’élever encore la

_température

de contact

pendant l’usinage,

et, par

suite,

d’accroître les vitesses et

_puissances

_{de coupe.}

Mais,

ici encore, il faut savoir se limiter et nous

laisserons délibérément de côté toutes ces

intéres-santes

_questions

_pour

_jeter

un _coup d’oeil sur ce

qu’on

appelle

plus particulièrement

les

_propriétés

mécaniques.

PREMIÈRE

PARTE.

Aperçu

sur les

_propriétés

et

_{oaractéristiques mécaniques}

usuelles.

D’une manière courante et

_{depuis longtemps,}

on

utilise pour caractériser les

aciers,

et

_plus

généra-lement les

_{produits métallurgiques,}

du

_point

de vue

mécanique,

des coefficients ou

_paramètres

conven-tionnels et arbitraires

_{appelés à}

tort «

_{caractéristiques}

mécaniques »

résultant des essais

_mécaniques,

et

_qui

ne _sont, à bien

_prendre,

_que des coefficients

d’identi-fication des matériaux à

_l’égard

de leur utilisation

mécanique.

Ils sont très

_critiquables

au

_point

de vue de leur

définition,

de leur détermination et de leur

signi-fication,

mais ils ont

_l’avantage

d’être de

détermi-nation

facile,

d’un

_emploi

_{à peu}

_près

universel,

_grâce

auxquels

on a accumulé et l’on

_possède

de très nombreuses données

_permettant

d’orienter une

fabrication ou un

_emploi.

Bien souvent on a substitué des schèmes à la réalité

_{expérimentale :}

c’est ainsi _{que l’essai} de traction est

_présenté

comme une déformation

homo-gène

sous des efforts d’extension.

_{Depuis longtemps}

l’expérience

a montré

_qu’elle

cesse d’être

_homogène

dans le sens

_longitudinal

_par

_{l’apparition}

de la

striction,

mais on continue à la considérer comme

homogène

sur une section

droite,

c’est-à-dire dans

le sens transversal.

Or,

l’étude

spectroradiogra-phique

(G. Homès)

a montré

_qu’il

n’en était rien

et _{que la} déformation est

_{beaucoup plus}

intense

en surface. Il ne reste donc rien de la

_conception

initiale du

schème,

et _{par ailleurs les}

_paramètres

qui

servent à

_exprimer

les résultats ne sont

eux-mêmes _{pas des}

_grandeurs

_homogènes

et

_logiques.

Ce

_{qu’on appelle «}

_charge

de

_{rupture »}

est en réalité

la

_charge

_{maxima subie par l’essai} et non la

_charge

au moment de la

_rupture,

et elle est

_rapportée

à une

section

_qui

n’est ni la section de

_rupture

ni la section au moment où l’on atteint cette

_charge

puisque

c’est la section initiale de

_{l’éprouvette;}

hybride qui

est la somme de deux autres :

l’allon-gement

de striction et

_{l’allongement}

uniformément

réparti dépendant

l’un du

diamètre,

l’autre de la

longueur

de

_{l’éprouvette.}

TABLEAU 1.

Il en est de même de la

résilience,

dans

_laquelle

le

travail de

_rupture

mesuré

_comprend

à la fois un

travail de déformation

hétérogène

d’un volume de métal non déterminé et d’un travail de

sépa-ration d’une section

_également

non déterminée du métal. Ce travail

_global

est

_rapporté

à une section

initiale à fond d’entaille de

_{l’éprouvette.}

Mais un

_{repère simple}

et

_{rapide, quoique}

artificiel

et de

_{signification}

discutable,

_exprimant

une

pro-priété

d’une manière mal définie et

_inexacte,

se

trouve

_parfois

_plus

fécond et

_plus

utile

_qu’un

essai

beaucoup plus

parfait

au

_point

de vue

_théorique

mais d’exécution difficile et inutilisable en

_pratique.

Par

_exemple,

la définition

_théorique

de la dureté

d’après

Hertz n’a servi

_pratiquement

encore à

rien,

alors que l’essai de dureté à la bille dû à

Brinell,

discutable

_{théoriquement,}

a rendu

d’inappréciables

services au

_point

de vue contrôle et

régularité

de

fabrication et de traitement

_thermique.

La

multi-plicité

et la

_simplicité

des essais sont des facteurs essentiels de fécondité et de

_progrès.

Il est en effet

_{indispensable}

de

_posséder

une

docu-mentation abondante relative à la valeur

_d’emploi,

c’est-à-dire à l’attitude en service et à la durée de

service des

_pièces

_pour

_pouvoir

s’en servir dans l’établissement des

_appareils

et

machines, et,

d’autre

part,

il faut la même _{documentation par}

_rapport

aux

facteurs de fabrication _pour

_pouvoir

conduire celle-ci en vue d’obtenir

les

résultats demandés.

C’est ainsi que l’introduction de la résilience n’a pu se faire

_qu’après

des années

d’expérience,

_pendant

lesquelles

on a accumulé la documentation

indispen-sable. On croit souvent

_trop

_{facilement que}

l’intro-duction d’un nouvel essai est facteur de

_progrès.

Ce serait véritablement

_trop

commode et à la

_portée

de

tous;

c’est une

_conception

_uniquement

adminis-trative. Il faut

_auparavant

_{que soient ëtablies :}

d’une

_part,

la

_{signification}

de cet _{essai par}

_rapport

à

l’emploi pratique,

et,

d’autre

_part,

la relation entre cet essai et les facteurs de fabrication.

En un mot les

_paramètres

ou

_{caractéristiques}

mécaniques

sont, ou devraient

être,

le trait d’union entre les fabricants et les

_{utilisateurs,}

chacun d’eux

ayant,

par une

_{longue expérience,}

établi des relations

empiriques

entre ceux-ci et les conditions et facteurs de fabrication d’une

_part,

et les conditions

_d’emploi

de l’autre.

C’est ce

_que

nous avons

_essayé

de résumer dans

le Tableau I. Il faut donc être très

_prudent

dans

l’introduction de nouvelles

_{caractéristiques}

méca-niques,

car on

_risque

d’entraver les fabrications et

même,

comme l’avait

_déjà

fait remarquer

_Henry

Le

_Chatelier,

de détruire certaines industries.

Quoi

qu’il

en

soit,

on

_peut,

en

_première

approxi-mation,

classer les

_{caractéristiques mécaniques}

usuelles en trois _{groupes :}

a. Celles se rattachant à la résistance

_opposée

à la

déformation,

telles que la

charge

de

_rupture

à la

traction

R,

la dureté

0,;

b. Celles

_qui

tendent à

_qualifier

la

_capacité

de

déformation

statique

(ou

ductilité

statique),

telles que

l’allongement

centésimal A ou la striction A la

rupture

par traction

1;

c. La ductilité

_dynamique

couramment définie

par la résilience p à l’essai de

rupture

à la flexion par choc sur

_éprouvette

entaillée.

Les

_propriétés

des deux

_premiers

_groupes varient

en

_général

dans le même sens à l’intérieur de

_chaque

groupe et en sens inverse ou

_{complémentaire}

d’un

groupe à

l’autre,

sans _{que cela}

_soit,

bien

entendu,

de

_{règle générale (les phénomènes}

de vieillissement

variations dans le même sens de

_{caractéristiques}

appartenant

à des _groupes

_{~différents}.}

Cette constatation

_permet

donc de

faire,

en

première approximation,

les

_comparaisons

en limitant

les termes

_{d’appréciation}

à

_deux,

en en choisissant un dans

_chaque

_groupe.

Pour aller

_plus

_loin,

on a cherché à trouver au

moyen de formules une

_expression

de la variation

statistique

en sens inverse des deux groupes, entre R résistance à la

traction,

par

exemple,

et A

allongement

de

_rupture,

ce

_qui

donne un terme

numérique unique

d’appréciation.

C’est là

_l’origine

des formules de

_compensation

ou coefficients de

qualité;

si pour une certaine

_catégorie

d’aciers,

les aciers au carbone par

_exemple,

on

_représente

R en fonction de

A,

on obtient une voie lactée dont les valeurs moyennes ou

_probables

tracent une

courbe d’allure

_analogue

à une

_{portion d’hyperbole.}

Une bonne

_{représentation}

_{serait obtenue par} une

formule

_{logarithmique,}

un _{peu moins bonne par} une formule

_{plus simple :}

R x A =

K,

mais en

pra-tique

on a

_pris

R + aA -

K,

remplaçant

la courbe dans un certain intervalle par sa corde.

En

fait,

au

_point

de vue

capacité

de déformation

avant

_rupture,

une

_{caractéristique beaucoup plus}

difficile à obtenir que

l’allongement

à la

_rupture

par traction

A,

surtout si l’on fait intervenir

l’hété-rogénéité

et

_{l’hétérotropie}

des

_{propriétés mécaniques}

des

_aciers,

est la résilience _p. C’est une

_propriété

extrêmement sensible à des variations

structurales,

à l’orientation de

_{l’éprouvette}

_par

_rapport

à la direction de

_{l’allongement}

de

_forgeage

(ce

que l’on

appelle

communément le « travers » de

_l’acier)

_et

dépendant

en outre de

_phénomènes

en

_partie

inconnus.

En

_réalité,

c’est surtout un _moyen de mettre en

évidence le

_changement

de mode de

_rupture

_que

pré-sente l’acier dans l’échelle des

_{températures.}

_{On passe}

d’un mode de

_rupture

avec déformations

_plastiques

notables,

donnant un

_aspect

de cassure fibreuse

précédée

d’une déformation

_importante

des éléments de structure ou

_grains,

à un mode de

_rupture

_par

séparation

en

_général

_rupture

_{intragranulaire}

à faibles déformations donnant une cassure à facettes

appelée

« cassure à

_{grain » (1).}

Cette cassure à

facettes,

je

l’associais,

et l’associe encore au

_point

de vue

_{enseignement,}

_pour

_{simplifier, à}

la notion de

clivage,

mais etle semble

_plutôt

résulter de

glissements

de

_{grande amplitude}

de l’édifice cristallin du

grain.

Quoi

qu’il

en

soit,

on _{passe d’un} mode de

_rupture,

à un autre en traversant une zone de transition ou zone de

_dispersion

ou

_{d’indétermination,}

dans

_laquelle

on obtient soit

_l’un,

soit l’autre mode de

rupture

et

par

conséquent

des

résiliences,

soit

faibles,

soit élevées. (1) Plus _{généralement} ce passage peut être la conséquence,

soit d’un _changement de mode de rupture soit, pour un

même mode de rupture d’une variation du volume déformé

résultant d’un _changement de résistance au _glissement plas-tique.

La

_position

dans l’échelle des

_{températures}

de

cette zone de transition est _{influencée par} de nombreux facteurs

_indiqués

dans le

_{schéma ~ fig.}

_i)

établi en accord avec Küntze.

Fig. 1 . -

Principaux facteurs influant sur la zone de transition ou de _dispersion de la résilience.

On voit _{par là combien l’obtention d’une résilience}

déterminée

_peut

être délicate et combien sont

_plus

sévères les formules des

_{propriétés mécaniques}

consistant à associer la résistance .R et la dureté

d’une

_part,

à la résilience d’autre

_part;

c’est la conclusion à

_{laquelle j’étais}

_{arrivé pour} trouver un

indice de

_{qualité mécanique}

dans une conférence faite à

_Liége

avant la _guerre

_(2).

Nous avons

_indiqué

combien était lointaine la

signification

de ces

_{caractéristiques mécaniques}

usuelles par

rapport

à la valeur

_d’emploi

ou

_d’usage.

Aussi,

dans le but de mieux se

_rapprocher,

dans le

mode de sollicitation notamment, des conditions

d’emploi,

on s’est orienté ces dernières années vers

des

_essais,

connus

_depuis

_longtemps,

mais

_qui

avaient été laissés de côté en raison des difficultés d’exécution et de la

_dispersion

des résultats. Ce sont les essais :

- D’endurance _ou de

fatigue

pour les

pièces

de machines fonctionnant à

froid;

- De

fluage

ou d’écoulement

_visqueux

_pour les

pièces

de machines travaillant à chaud.

D’où l’introduction de nouveaux

_paramètres

en

partie également

conventionnels,

de limite de

fatigue,

limite de

_fluage,

etc.,

ayant d’ailleurs,

dans leur

définition,

des caractères

_{hypothétiques}

rappelant

ceux de la limite

_élastique.

Ici encore les schèmes ont

_précédé

la

connais-sance du mécanisme réel des déformations et de la

_rupture.

Sans aborder ces

_{sujets compliqués,}

rappelons

que l’endurance a été _{étudiée par}

perméa-bilité

_magnétique

et

_{magnétoscopie}

ainsi _{que par}

spectroradiographie.

Cela a _montré,

macrographi-quement,

que le

phénomène

consistait dans la

propagation

d’une fissure

_{s’amorçant}

à l’extérieur

et

_qui

était

_{accompagnée, précédée}

_{pour les uns,,}

suivie _pour les autres, de déformation d’un ensemble

de

_grains

extrêmement

localisé,

d’où le rôle

prépon-dérant des états de surface de

_{l’éprouvette}

résultant

de la

_{préparation mécanique}

et de la corrosion

chimique.

Le mécanisme du

fluage

a _{été étudié par}

spectro-radiographie

associée à la

_{micrographie.}

Ces études ont montré _{que le}

_mécanisme,

sans être

_parfaitement

connu, s’accordait en

_première

_{approximation}

avec

les schèmes sur

_lesquels

est basé leur

_emploi

et _par

lesquels

on a

_justifié

leur introduction comme

méthode de contrôle.

Mais il y a encore

_{beaucoup à}

étudier à ce

_sujet.

Je me contenterai de

_souligner

le dilemme _que

présente

l’application

de ces essais de

_longue

durée

et de

_préparation

coûteuse : ou bien ces essais sont

effectués en nombre limité et le contrôle est inefficace

puisque

la

_majeure

_partie

des

_produits

_échappe

à la vérification par ce _moyen, ou bien l’on veut contrôler

tous les

_produits,

et alors on arrête la fabrication.

Ajoutons

que les résultats de ces essais sont

considé-rablement influencés _{par l’action}

_chimique

extérieure

en cours

_d’essais,

c’est-à-dire la

corrosion,

ce

_qui

augmente

encore les causes de

_dispersion

des résultats.

En dehors de la

_dispersion

des résultats et des

difficultés de

_préparation

des

_{éprouvettes,}

la

_longue

durée de ces essais a conduit à les

accélérer,

mais on

risque

de déformer le

_phénomène

dans le

_temps

si

on ne _{connaît pas}

_auparavant

les lois

_théoriques

ou

empiriques,

mais

_précises

des

_{phénomènes.}

Les

mêmes _remarques

_{s’appliquent à}

la caractérisation

chimique

des aciers _par les essais de corrosion. Pour le moment nous laisserons donc de côté

ces

_{caractéristiques}

insuffisamment connues au

point

de vue de leur introduction comme

_procédé

de

contrôle,

et nous nous limiterons aux coefficients

usuels fournis par les essais

mécaniques

courants et

l’analyse chimique.

Quoi

qu’il

en

_soit,

_je

tiens à

_{souligner quelques}

différences essentielles entre ces

_{caractéristiques}

ou

résultats des essais

_mécaniques

et les

_propriétés

physiques

bien connues de vous d’autre

_part.

La

définition,

le contrôle et la

_{signification}

des

propriétés

mécaniques

sont, en

effet,

très différentes

de celles des

_{propriétés physiques}

_proprement

dites telles que la

dilatation,

le module

_élastique,

les

propriétés électriques,

etc.,

_qui

vous sont très familières.

io Les

_propriétés

_physiques

sont bien définies d’une manière

_{indépendante}

de

_{l’éprouvette}

_qui

a

servi à les

déterminer,

on

_parle

d’une

_{conductibilité,}

d’un coefficient de

dilatation,

sans besoin

d’indi-cations

_{complémentaires.}

Au

contraire,

une

rési-lience,

un

_allongement

de

_rupture,

n’ont de valeur

que si l’on

indique

en même

_temps

le

_type

d’éprou-vette et même les conditions

_mécaniques

d’essai;

20 Les

_{propriétés physiques}

sont des

_propriétés

plus simples, plus

élémentaires que les

caracté-ristiques mécaniques

qui apparaissent propriétés

complexes,

fonction de diverses

_propriétés

ou

phéno-mènes

_qui

se

_superposent

ou s’enchevêtrent. C’est

ainsi que le

_phénomène

de

_rupture

d’une

_éprouvette

de résilience ou de traction

_peuvent

être

_{décomposées}

en au moins deux autres

_phénomènes

_{plus simples,}

_qui

ne sont d’ailleurs _pas fonction des mêmes variables; 30 Les

_{propriétes physiques}

sont relativement

bien _{moins influencées que} les

_{caractéristiques}

mécaniques

par les variations de

structure,

par

l’histoire

_thermique

et

_mécanique,

_{par les conditions}

de fabrication.

Des traitements

_qui

_triplent

la dureté ou font

varier la résilience dans le

_rapport

de 1 à 100

ne _{déterminent que des variations} de l’ordre de

10 _pour i oo dans les

propriétés

physiques.

On

_peut

_parler

de la

résistivité,

de la

densité,

etc.,

voire du module

_élastique

d’un métal pur, mais on ne saurait lui

_assigner

une résistance à la

traction,

une valeur de la striction.

Ainsi la résistance du

_tungstène

varie de 10

à 30o

_{kg :}

mm2,

la résilience du _{fer pur}

_depuis

le

pliage

sans

_rupture

à moins de

_{kgm :}

cm2

(clivage

du monocristal

x).

Dans cet ordre

d’idées,

il faut

_rappeler

_que ces

caractéristiques mécaniques

ayant

trait à un

_agrégat

polycristallin pseudoisotrope

sont

_statistiques

et souvent sans

_{rapport apparent}

avec les

_propriétés

du cristal élémentaire.

Pour citer un

_{exemple :}

le

_magnésium

a, suivant

sa

_pureté,

sa

_préparation

et son état

_(moulé

ou

forgé)

un

_allongement

de

_{rupture A}

de l’ordre de 10

à 20 _pour 10o et une résistance à la

_rupture

.~ de

l’ordre de 10 à 25

_{kg :}

_mm?,

alors _que le

mono-cristal fournit

_(suivant

le

_procédé

de

_préparation

et

l’orientation)

des

_{allongements plastiques}

attei-gnant

70 à 83 0o pour 100 sous des tensions de 3 à 10

_{kg :}

mm2 ;

4°

Les

_{propriétés physiques}

ont une

_{signification}

bien _{déterminée par}

_rapport

à la valeur

_d’usage.

On sait ce _que doivent être la conductibilité d’un câble

_électrique,

le module d’élasticité d’un

_spiral,

le coefficient de dilatation d’un

_piston

de moteur, etc.,

pour satisfaire à

l’emploi

et fournir

l’usage qu’on

leur demande.

Au

contraire,

la valeur

_d’usage

au

_point

de vue

mécanique

d’une

_{pièce métallique}

n’a

_qu’un

_rapport

problématique

et souvent inconnu vis-à-vis de ses

caractéristiques mécaniques.

Aussi celles-ci sont-elles

plutôt

des indices de

classement,

des coefficients

d’iden-tification,

que

l’expression

de

_propriétés

déterminées. Si les

_{propriétés physiques}

nous

_apparaissent

ainsi

plus simples,

mieux

définies,

que les

propriétés

mécaniques,

il ne faut pas en _{conclure que le}

_problème

de leur obtention industrielle écarte les difficultés courantes.

Dans la fabrication des

_pièces

caractérisées _par

n’est pas résolu par la seule obtention des

propriétés

désirées : il subsiste le

_plus

souvent :

io Dans la

fabrication,

le rôle essentiel des

propriétés

de

façonnage;

2~ Dans

_l’emploi,

l’intervention des

_propriétés

mécaniques

et

_chimiques.

La considération des

_propriétés

de

_façonnage

subsiste et

_impose

des

_problèmes

au moins aussi

difficiles à

résoudre,

car il

_s’agit

_d’adapter

l’élabo-ration à l’obtention de

_propriétés

_complexes

satis-faisantes,

phénomènes

et facteurs

_beaucoup

_plus

difficiles à saisir et à

_préciser.

Pour citer un

exemple,

considérons l’obtention

d’un fil pour résistance

électrique

du

_type

austé-nitique

au nickel-chrome :

Les

_propriétés

_physiques

sont définies par la

résistivité et son coefflcient de

_{température, grandeurs}

qui,

pour des traitements

thermiques

et

mécaniques

et une

_pureté

des matières

_premières

donnés,

sont

fonction de la

_composition

_chimique

et de la

tempé-rature, relations

_qui

sont illustrées _par les nombreux

diagrammes

de M. Chevenard. Le

_problème

est donc bien défini à ce

_point

de vue. Mais il faut en outre

que

l’alliage

soit

forgeable

et

ductile,

de manière

à

_pouvoir

en obtenir des fils de section

_régulière

et

exempts

de défauts

_physiques.

Ceci fait intervenir les conditions d’élaboration et le

_degré

_{d’oxydation}

_d’où,

_pour assurer la

forgea-bilité et la

_{désoxydations}

l’addition d’éléments tels que le

Mn,

le

Zr,

le

_Mg,

l’Al,

en

_quantités

le

plus

souvent non dosables par les méthodes

pondérales

chimiques.

Il

faut,

par

suite,

instituer des

procédés

particuliers

d’étude _{pour la mise} au

_point

et le

contrôle des fabrications.

En outre, si l’on abandonne ce

_type

_d’alliage

en

s’adressant aux résistances

_ferritiques,

les

_propriétés

mécaniques

à

chaud,

l’aptitude

à la

_{recristallisation,}

donc la résistance et la

_fragilité

à

froid,

le

compor-tement

_chimique

sont

_changés.

DEUXIÈME

PARTIE.

A.

_Principaux

_types

d’aciers et leurs

_emplois

en

_Physique

Contrairement à ce _que laisseraient

penser les innombrables brevets

publiés,

la lecture des articles

_techniques

et les informations de la

presse

quotidienne,

l’apparition

d’un

type

réellement

nouveau d’acier est un fait rare et

_{exceptionnel.}

Périodiquement,

et notamment aux

_époques

de

guerre, circulent des nouvelles sensationnelles d’aciers

contenant en

_général

des éléments _peu utilisés

jusqu’alors

et battant tous les records des

_propriétés

mécaniques;

et ceci trouve créance même

_auprès

de

personnalités qualifiées

par leurs titres et leurs

fonctions;

inutile de dire

_qu’il

n’en reste rien. Si

d’ailleurs il est loisible à

_{n’importe qui d’ajouter}

un ou

_plusieurs

éléments en

_{proportion quelconque}

dans un

_acier,

il est infiniment

_plus

difficile de mettre

au

_point

un nouveau

_type

d’acier

_présentant

des

avantages

techniques

ou

_économiques

réels _par

rapport

à ceux existants. C’est une

_entreprise

_qui

nécessite souvent des années

_{d’expériences}

avec le concours de techniciens et d’hommes de

laboratoire,

tant à l’aciérie que dans les usines d’utilisation.

C’est pour cela

qu’il

y a _peu de nouveautés à

mentionner dans le domaine de l’obtention de la résistance

_mécanique;

de

même,

il

_n’y

a _pas à

_signaler

de records de

_{caractéristiques mécaniques}

à

_part

la très haute dureté

_{superficielle}

obtenue _par la

nitruration.

Par contre, des

_progrès

considérables ont

été

accomplis

à

_l’égard

de

_{problèmes beaucoup plus}

difficile mais moins

_frappants,

moins sensationnels

à

_l’égard

du

_{public :}

ceux de la

_purification

et de la

régularisation

des fabrications.

Le

_premier

_permet

de s’affranchir de la

_sujétion

des matières

_premières

_pures, telles _{que les}

_produits

suédois,

ce

_qui

est

_primordial

_{pour notre pays.} Le

deuxième est facteur essentiel de

_qualité;

tous ceux

qui

s’attachent à

_dégager

les lois et facteurs des

phénomènes complexes

savent combien il est difficile

de réduire la

_dispersion

des résultats et d’obtenir

des valeurs

_{numériques reproductibles;}

_quand

on

y

parvient,

on

_peut

dire _{que le}

_problème

est résolu,

car on est alors maître des variables.

Ce sont les deux buts _que l’on a sans cesse

pour-suivis en

aciérie,

_purification

et

_{régularité,}

dont on

s’est constamment

_rapproché,

et

_{qui paraissent}

avoir été atteints ces dernières

années,

d’une manière à la fois

_scientifique

et

_pratique,

_par les

_procédés

de

_brassage

métal-laitier mettant en

_jeu

d’une

manière

_beaucoup

_{plus complète}

et

_beaucoup

plus rapide

les

_équilibres

entre ces deux

_phases

liquides.

Par

_ailleurs,

le choix des

_types

_{d’aciers pour} les

applications

mécaniques

est

_guidé,

à l’heure

_actuelle,

par des

questions économiques

et

d’approvision-nement en matières d’addition.

Mais des

_progrès

considérables ont été

_accomplis

dans le domaine des aciers résistant

_{chimiquement à}

froid et à chaud et résistant

_{mécaniquement}

à

chaud,

amenant une rénovation et un

boulever-sement

_complets

de

_{l’outillage}

des industries

chi-miques

et

_thermiques.

Ce sont des

_{sujets qui}

doivent retenir tout

_{particulièrement}

l’attention des

physi-ciens.

Il ne m’est pas

_possible

de dresser devant vous un

tableau des aciers

industriels,

même en se limitant à ceux

_qui

ont actuellement une valeur réelle

pratique

et

_qui

sont

_fabriqués

en

quantité

notable.

Le

_sujet

est encore

_trop

vaste et en outre il est

difficile à

_présenter

d’une manière

suggestive.

On

peut

en _{effet essayer de} classer un tel

_exposé

de diverses manières dont chacune d’elles n’est _pas

classifi-cation

_peut

être,

soit

_chimique,

soit

_mécanique,

soit structurale :

1 ~ La

_{classification}

_chimique

_d’après

la nature

des éléments

_présents

_C,

_{Mn, Si, Ni, Cr...;}

c’est

évidemment la

_plus

_simple

et ne demande aucun

travail

intellectuel,

ni

_{dépense d’imagination;}

c’est celle

_qui

convient à _{l’aciériste pour}

_lequel

l’opé-ration est définie et _{contrôlée par}

_{l’analyse chimique;}

elle est en outre la seule

_possible

_pour un

_traité,

car elle

_permet

une table

_analytique

des matières.

C’est ainsi

_qu’est

_présentée

la

_remarquable

série

de

_monographies

d’aciers établie aux

États-Unis

_par

la

_coopération

du Battelle Memorial

Institute,

de l’American Iron and Steel

Institute,

du Bureau of

Standards,

et d’autres

_organismes

industriels.

_Chaque

élément d’addition est

_l’objet

d’un volume de 5oo _pages. Cela est très

_{précieux pour l’étude}

et la

documentation, mais,

on le

_comprend,

ne

_peut

fournir matière à une

_esquisse

_{d’ensemble,}

un _aperçu

général,

car on serait conduit à une fastidieuse

énumération,

à un

_catalogue

monotone et inter-minable.

Nous nous contenterons de dire

_{qu’actuellement :}

Les aciers pour la construction

_mécanique

sont, dans l’immense

_majorité,

des aciers :

au

_manganèse

et

_{manganèse-silicium;}

au

chrome,

_{chrome-manganèse,}

chrome

molyb-dène,

chrome-silicium,

chrome-aluminium;

au

nickel, nickel-chrome,

nickel=molybdène,

nickel-chrome-molybdène.

Les aciers et

_alliages

_{pour outils} et résistant

méca-niquement

à chaud font

_appel

aux éléments donnant des carbures réfractaires ou des constituants fournissant le durcissement structural à chaud :

tungstène, molybdène,

chrome,

vanadium et au

cobalt.

Les aciers et

_alliages

résistant

_chimiquement

à

l’oxydation

sont _{obtenus par addition} en

_quantité

suffisante d’éléments solubles dans le fer et donnant

des

_oxydes

réfractaires :

chrome,

aluminium,

silicium,

zirconium,

etc.

_(le

calcium et le

_magnésium

donnant

également

des

_oxydes

réfractaires ne sont _pas

solubles dans le

_fer).

2° La

_{classification}

_par

_{propriétés mécaniques}

est

celle

_qui

conviendrait le mieux à l’utilisateur méca-nicien et

_{qui apparaîtrait}

la

_{plus indiquée}

à

_adopter

ici _pour donner un _aperçu des ressources

_apportées

par les aciers pour la construction des

appareils.

Un

_projet

de classification

_générale

basée sur les

caractéristiques mécaniques

avait été établi

_pendant

la guerre sous

_{l’inspiration}

de M.

_{Caquot :}

il

_comporte

l’établissement de barèmes

_numériques,

_{de gammes} fonctionnelles

_{représentant}

les

_allongements

de

rupture

A pour 100, les résiliences et l’endurance

en fonction des résistances R

_(lesquelles

s’échelonnent

suivant une série de nombres normaux rattachés

à la série

_Renard);

les associations de ces

caracté-ristiques pouvaient

être réalisées _par des aciers de

compositions chimiques

différentes

_ayant

subi des

traitements

_{thermiques appropriés fl).}

Mais ceci ne constitue

_qu’un

classeur dans les

différentes cases

_duquel

doivent se

_répartir

toutes

les demandes

_numériques

de

_{caractéristiques}

méca-niques

et non une véritable classification des aciers

eux-mêmes,

_{puisque s’y}

trouvent confondus ensemble

tous les facteurs déterminant ces

_{propriétés,}

_que

deux aciers différents

_peuvent

être

_logés

dans la

même case ou au même échelon alors

qu’inver-sement, un même acier

_peut,

suivant les traitements

subis,

occuper toute une

_portion

de l’échelle.

Ajoutons qu’il

y a

_{plus :}

suivant sa destination

motivée par une de ses

_{propriétés,}

un même acier ou un même

_alliage

est vendu commercialement

sous des noms

_(et

même à des

_prix)

différents suivant que l’on met à

profit

sa résistance

_mécanique,

sa

résistance

_électrique,

ses

_propriétés

de

dilatation,

etc.

En

résumé,

ces deux modes de

classement, utiles

pour les

métallurgistes

ou _pour les mécaniciens,

sont ici dénués d’intérêt et ne

_présentent

en outre

aucun caractère véritablement

_scientifique

permet-tant une vue d’ensemble.

30 Si nous voulons un fil

_conducteur,

une

concep-tion

_présentant

une réelle

_{signification}

scientifique,

il faut se tourner du côté de la structure dont les

propriétés

ne sont _que

_{l’expression}

ou la

_{conséquence,}

et

_qui

_dépend

de tous les facteurs de fabrication énumérés

_{précédemment,}

notamment

_composition

chimique

et traitements

_thermiques.

J’ai

essayé,

dans le tableau

_synoptique

II

_ci-joint,

d’esquisser

une tentative de classification d’ensemble

basée sur la structure, cristalline et

_{micrographique,}

et tenant

_compte

des

_{propriétés caractéristiques :}

résistance

_mécanique

et

_{chimique, à}

froid et à chaud.

Mais

_auparavant,

il me

_paraît

utile de

rappeler

quelques

notions élémentaires sur cette structure. B. Indications sommaires sur les

transfor-mations et la structure des aciers. - On sait

que toute l’étude des traitements

thermiques

et des

propriétés

des aciers est _{dominée par les}

transfor-mations du fer.

Les aciers existent sous deux états dérivés des

formes

_{allotropiques}

du fer : état

_{f erritique}

oc, à

maille

centrée,

et état

_{austénitique y}

à maille à faces

centrées.

(1) Les _{caractéristiques mécaniques} considérées étaient

celles obtenues sur _{éprouvettes découpées} dans _des barres

cylindriques de 25 mm de _{diamètre pour} tenir compte de l’influence de l’épaisseur sur les _{propriétés mécaniques,} notamment du fait de la _{pénétration} de la trempe. Pour tenir

compte de la _{composition chimique,} les aciers étaient répartis en _cinq classes :

1° Non alliés;

~ 0 Faiblement alliés; .

30 _{Moyennement alliés;}

40 Fortement alliés ou _{autotrempants;}