Brevet FR2273071A1 — publié le 19751226

La présente invention concerne les procédés (méthodes) de durcissement des produits en acier de construction par traitement thermique. L'invention se rapporte plus précisément aux procédés à l'aide desquels on obtient pour le béton armé, par durcissement thermique, une armature en barres de grande résistance, douée d'une plasticité accrue, d'une grande résistance à la fissuration de corrosion, et d'une endurance accrue. On connaît un procédé de fabrication d'une armature en barres de grande résistance pour le béton armé, douée d'une grande résistance à la fissuration de corrosion (voir Dumas F., Travaux, Sept. 1965). Cette résistance est obtenue "en réduisant de deux fois la teneur en carbone et en manganèse de pair avec une augmentation de trois fois de la teneur en silicium et avec une addition de chrome à un taux à peu près égal à celui du carbone". Lors de la trempe, l'acier est refroidi dans un bain d'huile de 9Q0 0 à 500G. Le revenu est effectué dans un bain de plomb à une température fixée selon la composition chimique de chaque coulée (d'ordinaire près de 5OO0C. Ce procédé prévoit l'emploi d1un acier de nuance spéciale, la trempe dans l'huile après chauffage spécial et le revenu dans un bain de plomb. Le procédé ne prévoit pas la possibilité d'emploi d'aciers au carbone et faiblement alliés de nuances courantes, ni la possibilité de trempe dans liteau à l'étant chaud de laminage, ni le revenu rapide électrique. De plus, il est caractérisé par des frais de main-d'oeuvre élevés. On connaît aussi "un acier de grande résistance peu enclin à la cassure par fragilité pour structures soumises à la corrosion par l'hydrogène, notamment pour les armatures, et un procédé de fabrication de cet acierH (brevet de R.D.A., Cl. 18c, 9152, C21). Les propriétés désirées de l'acier conformément au brevet mentionné, sont obtenues en créant à la surface de la barre d'acier une couche ferritique- homogène ; pour obtenir cette couche il faut, avant la trempe de l'acier, le soumettre à un recuit décarburant dans une atmosphère d'oxygène ou d'hydrogène à haute température. L'inconvénient de ce procédé connu est la nécessité d'employer une unité pour le recuit dans une atmosphère décarburante, ce qui ne permet pas d'utiliser pour la trempe le chauffage de laminage, qui est le procédé le plus économique pour le durcissement thermique des laminés, ni d'exploiter l'effet de durcissement supplémentaire et d'augmentation de la plasticité donné par le traitement thermomécanique à haute température. On connait aussi un procédé de traitement thermique de produits, consistant en ce que, afin d'accroître la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue et la plasticité, le produit porté à la température de trempe est d'abord trempé superficiellement par refroidissement de courte durée dans un milieu refroidissant. Le régime de refroidissement est déterminé de façon qutensuite les couches trempées soient portées à 700-7900C par la chaleur du coeur. Une fois les couches superficielles du produit portées à la température requise, on procède à la trempe définitive et au revenu (auto-revenu) de tout le produit.L'austénite de la couche superficielle subit alors la trempe et un revenu poussé, et l'austénite du coeur, la trempe et un revenu ou auto-revenu ordinaire (certificat d'auteur d'invention D'URUS NO 329227, cl. C 21, 1/78, Bulletin des Inventions, N7, 1972). Les inconvénients de ce procédé consistent d'abord en ce que la stabilité de la profondeur de la couche superficielle trempée par refroidissement de courte durée est très difficile à assurer, ce qui conduit à une grande hétérogénéité des propriétés tant suivant la longueur du produit que dans un lot de produits : en outre, le procédé provoque l'apparition, dans la couche superficielle, de contraintes d'extension résiduelles qui, en cas de présence de concentrateurs de contraintes à la surface (barres d'armature crénelées), abaissent la résistance à la fatigue des barres. Compte tenu de ce qui précède, le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués et de créer des produits en acier de-construction, ainsi qu'un procédé commode et productif pour l'obtention de ces produits en acier durcis thermiquement, doués d'un ensemble de bonnes propriétés d'utilisation. On s'est donc proposé de créer un produit en acier de construction et un procédé de traitement thermique dudit produit, conçus de manière que le produit ait une structure lui conférant de hautes propriétés mécaniques, d'utilisation et technologiques : grande résistance mécanique alliés à une haute plasticité, grande résistance à la fissuration de corrosion, endurance accrue, borne usinabilité de la surface et bonne soudabilité. La solution consiste en ce que, d'après l'invention, le produit en acier de construction comporte dans sa section droite un coeur à structure de martensite de faible revenu, une couche superficielle à structure de martensite de fort revenu, ou sorbite de revenu, et une couche de transition. Une telle combinaison de structures dans la section assure, de pair avec une grande résistance mécanique et une plasticité élevée, une haute résistance à la fissuration de corrosion et une endurance accrue. Conformément à l'invention, le produit en acier de construction est aussi caractérisé en ce que la couche superficielle à structure de sorbite de revenu dans le produit est d'une profondeur de 0,01 à 0,1 fois l'épaisseur du produit à ltendroit considéré, et que la couche de transition est d'une profondeur de 0,02 à 0,25 fois l'épaisseur du produit à l'endroit considéré. De la sorte, en créant diverses combinaisons de structures dans le métal, à des profondeurs variant dans les plages indiquées, on peut obtenir un produit ayant une combinaison de propriétés voulues prédéterminées : mécaniques : Rt , R0 002w R0,0002, R0,002/Rt, Ro-,oeo2/Ro,oo2 > 5 Au, Rt étant la charge de rupture en traction ;; Ru, 002 , la limite élastique conventionnelle à 0,2* Ru 0002 la limite élastique conventionnelle à 0,02% l'allongement relatif dans la zone de la rupture pour une longueur entre repères égale à 5 diamètres de barre Au m l'allongement relatif uniforme en dehors de la zone de la rupture d'utilisation : par exemple la résistance à la fissuration de corrosion sous des contraites d'extension prédéterminées technologiques: par exemple la profondeur à laquelle un filetage peut être roulé sur le produit ou les dimensions de pièces pouvant être soudées à la surface du produit. D'après l'invention, le procédé de durcissement de produits d'acier par traitement thermique avec trempe pour obtenir une structure de martensite de faible revenu est caractérisé en ce que le produit en acier ayant une telle structure est soumis à un chauffage superficiel suivi d'un refroidissement, de telle façon que la structure de sorbite de revenu ne se forme que dans la couche superficielle du produit. Ceci permet d'obtenir, outre une combinaison favorable prédéterminée de propriétés mécaniques et une haute résistance à la fissuration de corrosion, un produit dans la couche superficielle duquel apparaissent des contraintes résiduelles de compression. La présence de telles contraintes, en combinaison avec une couche superficielle douce de-plasticité accrue, a un effet favorable sur l'abaissement de la sensibilité à la naissance et au développement des fissures superficielles, provoquées tant par les contraintes alternées de charges extérieures variables que par les concentrateurs de contrainte dans le cas où la surface du produit a un profil de forme périodique. Selon encore une variante de l'invention, le procédé de durcissement de produits en acier par traitement-thermique est caractérisé en ce que l'armature pour béton armé en barres d'acier au carbone ou faiblement allié est chauffée superficiellement après trempe åusqutà une température de 720 à 7700G par induction à haute fréquence, puis refroidie jusqu 'à la température normale dans l'air ou dans un liquide pour obtenir une couche superficielle à structure de sorbe de revenu ayant une profondeur allant Jusqu a 0,1 fois le diamètre des barres et une couche de transition ayant une profondeur allant jusqu'a' 0,25 fois le diamètre des barres. De la sorte, en employant des aciers de nuances courantes, relativement bon marché, trempés par n'importe quel procédé connu, y compris avec utilisation de la chaleur de laminage et avec conservation de l'effet du traitement thermomécanique à haute température, avec mise en oeuvre d'un procédé automatisé de chauffage superficiel par induction haute fréquence jusqu'aux températures indiquées, suivi d'un refroidissement, on obtient une armature en barres rondes lisses ou crénelées dont la structure change, d'une couche à l'autre, de la sorbite de revenu dans la couche superficielle à la martensite de faible revenu dans le coeur. En créant une telle structure dans les barres, on obtient une armature douée de hautes propriétés mécaniques d'utilisation et technologiques, ces propriétés étant homogènes dans le produit. Une telle armature est caractérisée par une grande résistance (Rt > 100 à 120 kg/mm2), une haute limite élastique (R0,0002/E0,002 = 0,87) et une haute plasticité (A5 } fOs ; A 3%) L'armature obtenue par le procédé indiqué n'est pas encline à la corrosion de fissuration et est douée d'une résistance à la fatigue accrue, ce qui permet de l'employer dans les structures en béton armé exploitées en milieux agressifs et calculées pour une endurance prédéterminée. L'armature traitée par le procédé objet de l'invention est caractérisée par une faible sensibilité à la naissanee de fissures superficielles. La couche superficielle des barres étant en acier doux plastique, on peut, à l'aide d'outils ordinaires, tailler ou rouler un filetage pour le raboutage par manchon ou pour réaliser des attaches aux extrémités des barres. La présence à la surface des barres d'une couche à fort revenu et d'une couche de transition à revenu moyen permet le soudage à l'arc sur la surface pour les jonctions ou le soudage de diverses pièces en acier par points sans diminution de la résistance des barres dans leur section. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée pu un exemple non limitatif de fabrication d'une armature crénelée en barres d'acier faiblement allié, de grande résistance, de 16 à 25 mm de diamètre, destinée à être utilisée en armature précontrainte dans des structures en béton armé exploitées dans des milieux agressifs. L'armature de départ est constituée par des barres durcies thermiquement sur un train continu à petits fers avec utilisation de la chaleur de laminage et de l'effet du traitement thermomécanique à haute température. Ces barres trempées à coeur, à structure de martensite de faible revenu ont des propriétés mécaniques oscillant dans les limites R t = 110 à 130 kg/mm ; R0,002 = 90 à 120 kg/mm2 ; A5 = 6 à 10% Au = O à 1%. Lors des essais accélérés de tendance à la fissuration de corrosion (séjour d'éprouvettes en contrainte dans une solution bouillante de nitrate), les barres se fissuraient à l'issue de 2 à 20 heures d'essai sous des contraintes d'extension égales à 0,75 Rt. Un faisceau de barres de diamètre donné et de 13,5 m de longueur est présenté à l'installation de chauffage superficiel par induction à haute fréquence. Dans l'installation, les barres défilent en continu à travers l'inducteur alimenté par le générateurà haute fréquence. La constance de la température et de la profondeur de chauffe de la surface des barres est assurée par le maintien à des valeurs prédéterminées des paramètres de l'installation : vitesse de défilement des barres à travers l'inducteur, longueur et diamètre de l'inducteur, tension et intensité du courant àhaute fréquence, vitesse de refroidissement. La couche superficielle est portée à 7500C. Après traitement, 1'armate a les propriétés suivantes Rt = 100 à 105 kg/mm2 ; R0,002 = 85 à 92 kgAmm? ; A5 = 12 à 16% ; Au = 3. Lors des essais accélérés de tendance à la fissuration de corrosion, les éprouvettes de telles barres ne se fissuraient pas après 200 à 1000 heures d'essai. les propriétés indicxuées de l'armature en barres d'acier de construction de 22 mm de diamètre durcies thermiquement sont assurées avec une profondeur de-la couche superficielle à structure de sorbite de revenu de 0,4 mr et une profondeur de la couche de transition de 3 mm. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEICICATIONS 1. Produit en acier de construction, caractérisé en ce qu'il a dans sa section deoite un coeur à structure de martensite de faible revenu, une couche superficielle à structure de martensite de fort revenu, ou sorbite de revenu, et une couche de transition. 2. Produit selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdites couches superficielles et de transition sont respectivement d'une profondeur de 0,01 à 0,1 fois et de 0,0? à 0,25 fois de l'épaisseur de la section à l'endroit considéré. 3. Procédé de durcissement d'un produit en acier par traitement thermique, selon l'une des revendications a et 2, avec trempe pour l'obtention d'une structure de martensite de faible revenu, caractérisé en ce que le produit en acier ayant la structure indiquée est soumis à un chauffage superficiel suivi d'un refroidissement, de telle façon que la structure de sorbite de revenu ne se forme que dans la couche superficielle du produit. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'unie armature pour béton armé en barres d'acier au carbone ou faiblement allié est chauffée superficiellement après trempe jusqu'à une température de 720 à 7700C par induction à haute fréquence, puis refroidie jusqu a la température normale dans l'air ou dans un liquide pour obtenir une couche superficielle à structure de sorbite de revenu ayant une profondeur allant jusqu'à 0,1 fois le diamètre des barres et une couche de transition ayant une profondeur allant jusqu'8 0,25 fois le diamètre des barres.