Techniques de fabrication d'alliages métalliques pour les structures de construction
Dans le secteur de la construction moderne, le besoin en matériaux robustes, durables et performants ne cesse de croître. Les alliages constituent une solution majeure à ce besoin : ce sont des métaux composés du mélange de deux éléments ou plus, généralement pour obtenir des propriétés mécaniques et une résistance aux intempéries supérieures à celles des métaux purs. Dans les structures de bâtiments, les alliages sont utilisés pour les charpentes métalliques, les assemblages, les plaques, les poteaux, les poutres, les câbles et même les fixations. Cet article présente les techniques de fabrication des alliages applicables aux structures de bâtiments, depuis le choix de la composition jusqu’aux procédés de mise en forme et aux contrôles qualité.
1. Principes de base des alliages métalliques dans la construction
Les métaux purs comme le fer ou l'aluminium présentent des limites : ils peuvent être trop mous, se corroder facilement ou être instables à certaines températures. Grâce aux alliages, les fabricants peuvent contrôler les propriétés du matériau, par exemple :
– Résistance à la traction et limite d'élasticité (importantes pour la capacité de charge).
– La ductilité, pour qu'il ne se casse pas facilement.
– Dureté pour la résistance à l'usure.
– Résistance à la corrosion en environnements humides, côtiers ou industriels.
– Capacités de soudage et de fabrication pour un assemblage facile sur le terrain.
Dans le domaine des structures de bâtiments, les alliages les plus courants sont :
– Acier au carbone et acier faiblement allié pour les poutres et les colonnes.
– Acier inoxydable pour environnements corrosifs ou conceptions architecturales.
– Alliages d’aluminium pour façades, cadres légers et certains éléments non structuraux.
2. Conception de la composition de l'alliage
Les techniques de fabrication d'alliages commencent toujours par la conception de leur composition. Les ingénieurs métallurgistes déterminent les éléments à ajouter en fonction des objectifs de performance et de coût. Exemples de rôles des éléments :
– Le carbone (C) dans l’acier augmente la résistance et la dureté, mais un excès peut réduire la soudabilité.
– Le manganèse (Mn) contribue à augmenter la résistance et lie le soufre, réduisant ainsi la fragilité.
– Le chrome (Cr) augmente la résistance à la corrosion et à l’oxydation.
– Le nickel (Ni) augmente la ténacité, notamment à basse température.
– Le molybdène (Mo) augmente la résistance au fluage et à certaines corrosions.
– Le silicium (Si) facilite le processus de désoxydation et peut augmenter la résistance.
Dans les alliages d'aluminium, des éléments tels que le Mg, le Si, le Zn et le Cu sont sélectionnés pour augmenter la résistance ou la résistance à la corrosion, tout en tenant compte de la facilité d'extrusion et de soudage.
3. Techniques de fusion et de raffinage
La production d'alliages à l'échelle industrielle s'effectue généralement par un processus de fusion dans un four, suivi d'une purification pour éliminer les impuretés.
a) Haut fourneau et convertisseur à oxygène basique (BOF)
Pour la construction métallique en série, la méthode classique consiste à :
1. Le haut fourneau produit du fer en fusion (métal chaud) à partir de minerai de fer.
2. Le BOF (four à oxygène basique) transforme le fer en fusion en acier en insufflant de l'oxygène pour réduire la teneur en carbone et éliminer les impuretés.
Ce procédé convient à la production à grande échelle, notamment pour les profilés en acier de construction.
b) Four à arc électrique (EAF)
Les fours à arc électrique (EAF) sont largement utilisés pour le recyclage des déchets métalliques et la production de différentes qualités d'acier. Leurs avantages sont les suivants :
– Plus de flexibilité pour le contrôle de la composition.
– Convient à la production de certains aciers alliés.
– Il est plus facile d'adapter la qualité aux besoins du projet.
c) Raffinage secondaire (métallurgie secondaire)
Pour que l'acier réponde aux normes de construction, des traitements supplémentaires sont effectués, tels que :
– Désoxydation (réduction de l'oxygène dissous) pour prévenir la porosité.
– Désulfuration (réduction du soufre) pour accroître la ténacité.
– Dégazage sous vide (élimination des gaz tels que l'hydrogène) pour prévenir les fissures d'hydrogène et les défauts internes.
– Ajout précis d’éléments d’alliage pour garantir des propriétés de matériau constantes.
L'étape de raffinage secondaire est particulièrement importante pour les aciers à haute résistance ou les aciers qui seront soudés sur le terrain.
4. Techniques de moulage et formation initiale
Une fois la composition adéquate, le métal en fusion est mis en forme pour obtenir un produit semi-fini.
a) Coulée continue
Aujourd'hui, la coulée continue est la méthode dominante. L'acier en fusion est coulé en continu sous forme de brames, de blooms ou de billettes, puis découpé à la longueur voulue. Ses avantages :
– Haute efficacité.
– Microstructure plus uniforme.
– Réduit les défauts par rapport à la coulée traditionnelle en lingots.
b) Coulée de lingots (moins courante)
Utilisé pour certaines applications spécifiques, mais est plus sujet à la ségrégation des éléments d'alliage et nécessite un traitement supplémentaire.
5. Formage thermomécanique : laminage, forgeage et extrusion
Les profilés structuraux tels que les poutres en I, les poutres en H, les profilés en C, les plaques ou les barres d'armature nécessitent un processus de formage.
a) Laminage à chaud
La plaque ou la fleur est chauffée puis roulée en :
– Plaques de connexion et plaques de base.
– Profils structurels (H, I, U, L) pour poutres et colonnes.
– Barres et tiges métalliques pour éléments de fixation.
Le laminage à chaud contribue également à affiner la structure du grain et à améliorer les propriétés mécaniques.
b) Laminage contrôlé / TMCP (Traitement thermomécanique contrôlé)
Il s'agit d'une technique importante pour les aciers faiblement alliés à haute résistance. En contrôlant la température et la réduction lors du laminage, les fabricants obtiennent :
– Grains plus fins (raffinement du grain).
– Haute résistance sans augmentation excessive de la teneur en carbone.
– Soudabilité améliorée, adaptée à la construction de ponts et d'immeubles de grande hauteur.
c) Forgeage
Utilisé pour les composants exigeant une grande robustesse, tels que les brides spéciales, les ancrages ou les éléments de connexion haute résistance. Le forgeage améliore l'orientation du grain du métal et réduit la porosité interne.
d) Extrusion (aluminium uniquement)
Les profilés en aluminium pour façades et cadres légers sont fabriqués par extrusion : des billettes sont chauffées puis poussées à travers une filière pour produire des profilés complexes et légers.
6. Traitement thermique pour réguler les propriétés
Le traitement thermique vise à modifier la microstructure afin que les propriétés finales répondent aux exigences de conception.
Dans le domaine de la construction métallique :
– La normalisation améliore l'uniformité structurelle et la robustesse.
– La trempe et le revenu (Q&T) produisent une résistance élevée, souvent utilisée sur certains composants qui nécessitent une plus grande résistance.
– Le traitement de relaxation des contraintes réduit les contraintes résiduelles résultant du soudage ou du formage.
Dans certains alliages d'aluminium :
– Le traitement thermique de mise en solution et le vieillissement (par exemple, les séries 6xxx ou 7xxx) augmentent la résistance par précipitation.
Le choix du traitement thermique doit prendre en compte la résistance à la fissuration, la soudabilité et les performances à long terme.
7. Techniques d'amélioration de la résistance à la corrosion dans les environnements de construction
Les structures des bâtiments sont fréquemment exposées à la pluie, à l'humidité, au sel (littoral) ou aux polluants industriels. Par conséquent, outre le choix de l'alliage approprié, des techniques de protection sont mises en œuvre :
– La galvanisation (revêtement de zinc) est très courante pour l'acier de construction afin de le rendre résistant à la rouille.
– L’acier Corten (c’est-à-dire certains alliages qui forment une patine protectrice) convient à certaines conditions atmosphériques.
– Acier inoxydable pour les zones exigeant une haute résistance à la corrosion et un faible entretien.
– Systèmes de revêtement (époxy, polyuréthane, etc.) comme protection supplémentaire.
La résistance à la corrosion n'est pas seulement une question d'esthétique, mais aussi de sécurité, car la corrosion peut réduire la section efficace et provoquer une défaillance structurelle.
8. Contrôle de la qualité et essais des matériaux
Les alliages métalliques utilisés dans la construction de structures doivent répondre à certaines normes techniques (par exemple, en matière de composition, de résistance et de ténacité). Les procédures de contrôle qualité comprennent généralement :
– Essai de traction pour déterminer la limite d'élasticité, la résistance à la traction et l'allongement.
– Essai de résilience (Charpy) pour évaluer la ténacité, notamment sur les aciers travaillant à basse température.
– Test de dureté comme indicateur des propriétés mécaniques.
– Analyse chimique pour vérifier la composition correcte de l'alliage.
– CND (Contrôles Non Destructifs) tels que les contrôles par ultrasons, la radiographie, les contrôles par particules magnétiques ou les contrôles par ressuage pour détecter les défauts internes/de surface.
– Contrôles dimensionnels et de tolérance pour garantir que les profils répondent aux exigences de fabrication.
Un contrôle qualité rigoureux garantit que le matériau est sûr d'utilisation, facile à souder et offre des performances constantes d'un lot à l'autre.
9. Défis et orientations du développement
L'industrie des alliages de construction continue d'évoluer. Les principaux défis sont les suivants :
– Équilibre entre résistance et soudabilité (une résistance élevée comporte souvent le risque d’une plus grande sensibilité à la fissuration des soudures si elle n’est pas correctement conçue).
– Rentabilité car certains éléments d'alliage sont coûteux.
– Durabilité grâce à un recyclage accru, une meilleure efficacité énergétique et des émissions réduites.
Les axes de développement comprennent l'utilisation d'acier HSLA (acier faiblement allié à haute résistance) plus léger mais plus résistant, l'application d'un TMCP plus précis et des améliorations aux procédés EAF à base de ferraille afin de réduire l'empreinte carbone.
conclusion
La conception des alliages métalliques pour les structures de bâtiments repose sur une série de procédés interdépendants : de la formulation à la protection contre la corrosion et au contrôle qualité, en passant par la fusion, l’affinage, le moulage, le formage thermomécanique et le traitement thermique. Des alliages correctement conçus et mis en œuvre permettent d’obtenir des matériaux robustes, durables et sûrs, capables de résister aux charges et aux conditions environnementales pendant des décennies. Face aux progrès de la métallurgie et à la complexité croissante des exigences du bâtiment, la maîtrise de la conception des alliages métalliques est essentielle pour garantir la qualité et la durabilité des constructions futures.
