EP0022134B1

EP0022134B1 - Acier d'armature à haute résistance mécanique

Info

Publication number: EP0022134B1
Application number: EP79101819A
Authority: EP
Inventors: Henrik Giflo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-08
Filing date: 1979-06-08
Publication date: 1985-09-25
Also published as: DE2967517D1; ATE15816T1; EP0022134A1

Description

La présente invention est relative à un acier d'armature ou rond à béton à haute résistance mécanique, aisément soudable jusqu'à une teneur déterminée de carbone, qui est résistant à la corrosion par l'air, qui satisfait de façon optimale les exigences de la construction moderne. Cet acier est intéressant en particulier dans la construction d'éléments de béton à propriétés complexes, qui doivent présenter de bonnes propriétés de portance et pouvoir être utilisés dans des conditions de température élevée ainsi que dans la préparation de constructions par coffrage à l'aide de ces éléments en béton.
Le béton est l'un des matériaux de construction les plus utilisés, qui présente une résistance à la compression élevée, mais une résistance à la traction faible. Cet inconvénient du béton a été résolu dans la construction en introduisant dans la zone de traction des éléments de construction en béton, des barres d'acier ou des armatures d'acier qui absorbent les contraintes de traction et déchargent le béton de telles contraintes. Ces armatures d'acier sont ce qu'on appelle les ronds à béton. Les ronds à béton peuvent être divisés en deux groupes suivant leur façon d'introduction ou les contraintes auxquelles ils sont destinés à être soumis. Le mode d'utilisation détermine en même temps les exigences requises pour de tels aciers.
Dans l'un des modes d'utilisation, les ronds à béton sont destinés à absorber ou à éliminer après leur introduction, les contraintes de traction et de cisaillements de la construction. Ces aciers d'armature sont laminés à chaud, il s'agit le plus souvent d'aciers ronds non alliés ou faiblement alliés pourvus de nervures et d'une qualité pouvant être soudée ou non.
Les ronds à béton laminés à chaud doivent présenter une limite apparente d'élasticité garantie, une flexibilité appropriée, des nervures augmentant l'adhérence nécessaire pour le transfert . des forces et en cas de nécessité ils doivent pouvoir être soudés.
Dans l'autre mode d'utilisation, les sollicitations de traction de la construction sont éliminées par les ronds à béton, par une précontrainte des éléments en béton. Cette méthode d'utilisation permet de diminuer de façon sensible le poids de la construction. Dans ce cas, les aciers d'armature ou ronds à béton sont étirés avec une force de traction correspondant à la limite d'élasticité, sont précontraints et encastrés dans cet état dans le béton.
L'élément en béton est de ce fait précontraint en compression par l'acier d'armature noyé dans celui-ci après solidification du béton; la précontrainte correspondant à la traction utilisée au cours de la précontrainte de l'acier. Ainsi, la traction résultant des sollicitations de la construction qui s'exercent dans l'élément de béton, est abaissée à une valeur minimale acceptable pour le béton. L'acier d'armature précontraint doit de ce fait fonctionner comme un ressort de traction, ce qui détermine les exigences requises pour un tel acier.
Les exigences requises pour les ronds à béton précontraints sont déjà, du fait que leur fonction ne sont pas les mêmes, différentes des exigences requises pour les aciers d'armature laminés à chaud. Leur limite d'élasticité apparente doit at- teindre au moins 80% de leur résistance à la traction et en plus, l'élasticité doit présenter une flexion minimale, une relaxation appropriée et une sensibilité à la corrosion sous contrainte faible.
La résistance à la traction élevée des aciers d'armature est également une exigence industrielle essentielle. Ainsi, plus la résistance de l'acier est grande, plus est grande de façon générale sa contrainte utile permise. On augmente de ce fait la valeur d'utilisation des ronds à béton précontraints, et la perte en force de traction qui est inévitable à la suite du retrait et de la déformation lente du béton perd de ce fait de son importance.
En principe, on pourrait de ce fait utiliser dans le béton comme rond à béton, un type d'acier pour lequel la modification de la longueur résultant des sollicitations est faible mais pour lequel le domaine de variation de la forme est suffisamment large.
L'acier d'armature non précontraint noyé, qui doit être utilisé dans le béton doit présenter une plasticité qui tolère une fissure du béton à la suite des contraintes de flexion de la construction avant la rupture de l'acier mais qui empêche cependant que l'acier d'armature soit soumis du fait de cette fissure à l'action de la corrosion de l'environnement.
Les aciers d'armature appropriés pour la précontrainte doivent présenter encore des proprié-. tés rhéologiques favorables et une bonne stabilité à la corrosion sous contrainte.
On connaît actuellement des aciers d'armature utilisables sous contrainte ou non et présentant des résistances mécaniques appropriées. La composition chimique des aciers d'armature qui ne sont pas utilisés pour la précontrainte est caractérisée par le fait que la teneur en carbone est le plus souvent égale au maximum à 0,60% en poids et que leur teneur en manganèse est comprise entre 0,50 et 1,60% en poids. Quelques aciers contiennent en plus 0,20-0,60% en poids de silicium et 0,03% en poids de niobium ou de vanadium. Les aciers qui sont utilisés sous forme laminée à chaud et qui ne sont pas appropriés pour la précontrainte sont en général soudables jusqu'à une teneur en carbone égale au plus à 0,20%. Leur résistance à la traction est comprise généralement entre 350 et 600 N/mm² et peuvent être utilisés dans 40 à 60% des constructions. La résistance à la traction du domaine non soudable est comprise entre 600 et 800 N/mm², mais seulement 30 à 40% peuvent être utilisés pour la transmission d'une flexion qui ne nécessite pas une modification de forme définitive.
Les aciers d'armature utilisés pour la précontrainte sont fabriqués par des procédés de déformation et de traitement à froid et à chaud, coûteux et compliqués ou par la combinaison de ces traitements. Leur composition chimique peut être caractérisée par le fait que leur teneur en carbone est comprise en général entre 0,50 et 0,80% en poids et que leur teneur en silicium est comprise entre 1,00-2,00%, en manganèse entre 0,70-1,20% et quelques autres éléments et même 0,50-1,50% de chrome et 0,30-0,80% de molybdène. Une caractéristique de leurs propriétés mécaniques est une résistance à la traction comprise entre 1300 et 1850 N/mm² et par une traction qui nécessite une déformation de 0,05% qui reste de 800 à 1200 N/mm². La détente de ces aciers présente pour une charge à 70% de la résistance à la traction une bonne relaxation.
Les aciers d'armature connus et utilisés présentent une résistance relativement faible. Ils peuvent uniquement être soudés dans des domaines de résistance très étroits et produits par des procédés technologiques compliqués nécessitant une main d'oeuvre nombreuse pour obtenir l'effet de ressort nécessaire dans les utilisations et la construction modernes.
Le brevet SU-A-570 657 (GOLOVIN) décrit des aciers pour moules ayant la composition suivante: C: 0,05-0,1%; Mn: 0,6-1,25%; Si: 0,15-0,4%; Ni: 1,15-1,55%; Cu: 0,08-1,2%; V: 0,06-0,1%; Mo: 0,15-0,25%; AI: 0,03-0,08%; Ca: 0,005-0,03%; Ni: 0,005-0,02% et au moins un élément choisi parmi:
Ce: 0,005-0,1; Nb: 0,015-0,035; B: 0,001-0,004 ainsi que jusqu'à 0,3% de Cr et du Fe.
Le but de l'invention est la préparation d'un acier d'armature qui a une résistance mécanique élevée même à l'état laminé à chaud et qui peut être soudé jusqu'à une teneur en carbone déterminée, qui peut être utilisé comme acier d'armature précontraint après un traitement thermique simple pour une teneur en carbone plus élevée que celle possible antérieurement, qui présente une relaxation excellente et une stabilité à la corrosion sous contrainte et qui est approprié pour la fabrication d'éléments de béton ou de construction en coffrage qui satisfont de façon optimale aux exigences de la construction mais qui peuvent être utilisés également à des températures plus élevées.
Ce but est atteint par le fait que l'acier d'armature selon l'invention comprend en plus du fer, au plus 1,20% de carbone, au plus 3,5% en poids de manganèse, au plus 2,80% en poids de silicium, au plus 1,00% en poids de molybdène, au plus 3,00% en poids de cuivre et/ou nickel, au plus 0,15% en poids de zirconium et/ou cérium, 0,04 à 0,30% en poids de niobium et/ou de vanadium, 0,008 à 0,035% en poids d'azote, 0,0005 à 0,025% en poids de calcium, 0,02-0,15% en poids d'aluminium et 0,001 à 0,05% en poids de bore et/ou de beryllium.
Une autre composition d'acier selon l'invention comprend en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments suivants dans les proportions ci-dessous indiquées.
Quelques-uns des éléments de l'alliage, dans les proportions selon l'invention, forment des composés métalliques complexes qui pour partie forment déjà dès le stade de la coulée des germes actifs qui précontraignent le réseau du fer, en entrant en partie en solution interstitielle et qui multiplient de cette façon les défauts du réseau.
D'autres éléments de l'alliage forment des précipités métalliques présentant une résistance au cisaillement élevée, ce qui augmente et stabilise de façon cohérente, la tension interne du réseau de base.
D'autres éléments de l'alliage s'enrichissent par l'occupation des défauts du réseau à la limite des grains, de sorte que le phénomène de précipitation non cohérente est retardé. De cette façon l'enrichissement de tels précipités le long des limites des grains est empêché, l'homogénéité de leur disposition est assurée et la résistance des limites de grain est augmentée.
En augmentant le nombre de germes cristallins de dimensions critiques on élève d'une façon sensible l'aptitude à la cristallisation de la coulée et l'on abaisse le temps de solidification ainsi que la dimension des grains primaires. On élève de cette façon brusquement la surface des limites de grains dans la matrice unitaire de sorte que l'on diminue sensiblement la possibilité de formation d'enrichissement et la charge spécifique résultant de la contrainte est également abaissée de façon sensible.
Les propriétés des constituants et leurs proportions appropriées dans le système d'alliage selon l'invention créent des conditions physico-chimiques, cinétiques ainsi que de germination telles, au cours de leur mise en solution, de la solidification, de la recristallisation et de la déformation à chaud que la disponibilité des constituants pour entrer de façon interstitielle en solution, la quantité de ces constituants ainsi que le nombre et le degré de contrainte, des réseaux précontraints de cette façon se trouvent nettement augmentés. Grâce à l'augmentation du nombre des réseaux présentant une précontrainte interstitielle et de leur degré de contrainte, on augmente de façon sensible le nombre des dislocations créées par voie métallurgique qui favorisent ou déterminent la formation, de précipités métalliques et la densité de leur disposition, ce qui a pour effet d'élever l'efficacité de la fonction d'ancrage des précipitations lors du déplacement frontal des dislocations provoquées par les charges.
Grâce aux éléments encastrés et enrichis dans les défauts des limites des grains, on réduit la vitesse de diffusion ou le nombre des atomes de métal avoisinants, on diminue de ce fait également la formation de germes incohérents. On évite ainsi qu'il se forme le long des limites des grains, une zone inhomogène, par des éléments d'alliage ou des précipitations et que leur résistance mécanique ou leur résistance au fluage diminue. On retarde de ce fait l'éclatement qui se produisait antérieurement aux limites des grains à la suite des charges et on augmente leur allongement et contraction lors de la rupture par fluage.
Grâce à ce phénomène, on élève notablement la plasticité, l'aptitude à la déformation à chaud et à froid ainsi que la résistance utile de l'acier d'armature.
Les éléments selon l'invention, et leur proportion permettent d'obtenir automatiquement une qualité métallurgique remarquable de l'acier d'armature pendant son élaboration. Dans le domaine soudable, on augmente de plusieurs fois la résistance mécanique ainsi que la limite d'endurance de l'acier sans traitement ou déformation à froid mais par une combinaison effective du mécanisme de consolidation. Dans le domaine non soudable, on peut obtenir de façon très simple et avec des dépenses plus faibles des résistances mécaniques notamment plus élevées ainsi que des propriétés rhéologiques plus favorables que pour les aciers d'armature connus.
L'acier d'armature selon l'invention contient dans sa composition chimique également des composés d'alliage qui se concentrent si nécessaire à la surface de l'acier au cours du procédé de déformation à chaud, et qui forment avec le temps, à la suite de l'action atmosphérique sur cette surface une couche de protection. Cette couche protège l'acier de la corrosion de l'air et diminue nettement la vitesse de corrosion en comparaison avec les aciers d'armature non alliés connus.
L'acier d'armature selon l'invention est bien soudable jusqu'à une teneur en carbone déterminée et ses propriétés sont semblables dans la zone d'influence thermique au cours du soudage, aux propriétés du produit de départ.
L'acier d'armature selon l'invention peut être préparé et travaillé avec les mêmes installations que les aciers d'armature connus, ce qui signifie qu'il ne nécessite pas de nouvelles installations et investissements pour être préparé en grandes quantités. Il présente des propriétés mécaniques remarquables et garantit si nécessaire une stabilité à la corrosion à l'air et élargit l'intervalle de résistance dans lequel on peut utiliser un assemblage par soudage.
En ce qui concerne le transfert des forces, il nécessite une section d'acier d'armature nettement inférieure et le poids de la construction en béton peut de ce fait être diminué de façon significative tout en maintenant la couche de béton prescrite.
Les coûts de fabrication des produits préparés à partir de l'acier selon l'invention ne dépassent pas du fait de la résistance mécanique améliorée le niveau moyen actuellement atteint.
Les résultats industriels obtenus grâce aux avantages techniques des aciers d'armature selon l'invention tels que par exemple la diminution du poids et l'économie en énergie ainsi que les coûts d'entretien faibles, etc. ne sont pas grevés par des coûts élevés nécessaires pour la fabrication et l'utilisation du nouveau matériau de base.
L'acier d'armature selon l'invention, ainsi que ses propriétés mécaniques sont décrits ci-après à l'aide de quelques exemples de réalisation.

EXEMPLE 1

On prépare trois charges d'un acier selon l'invention. Les charges portant les références 1 et 2 qui appartiennent au domaine soudable ont été préparées dans un four à arc de 70 tonnes et ensuite coulées dans des lingotières de 3,5 tonnes de profil quadratique. Les lingots coulés résultants ont ensuite été laminés dans les conditions normales en des blocs carrés ayant une section de 180 mm, ils ont ensuite tété laminés en des ronds à béton avec des rainures et un diamètre de 16 mm et amenés à refroidir à l'air sur un refroidisseur.
La charge portant la référence 3, qui n'appartient pas au domaine soudable, a été préparée dans un four à arc de 20 tonnes et coulée dans une lingotière de 6 tonnes de profil quadratique. Cette charge a été laminée de façon similaire à celle des charges 1 et 2, et a été préparée sous forme d'un rond à béton rainuré d'un diamètre de 8 mm sous forme enroulée et refroidie à l'air. Les résultats des essais de matériaux sont les suivants:

Claims

1. Acier d'armature à résistance mécanique élevée pouvant être soudé jusqu'à une valeur déterminée en teneur de carbone, si nécessaire stable à la corrosion atmosphérique, caractérisé par le fait qu'il contient en plus du fer, au plus 1,20% en poids de carbone, au plus 3,50% en poids de manganèse, au plus 2,80% en poids de silicium, au plus 1,00% en poids de molybdène, au plus 3,00% en poids de cuivre et/ou de nickel, au plus 0,15% en poids de zirconium et/ou cérium et 0,04-0,30% en poids de niobium et/ou vanadium, 0,008 à 0,035% en poids d'azote, 0,0005 à 0,025% en poids de calcium, 0,02-0,15% en poids d'aluminium et 0,001-0,05% en poids de bore et/ou béryllium.

2. Acier d'armature à résistance mécanique élevée pouvant être soudé jusqu'à une valeur déterminée en teneur de carbone, si nécessaire stable à la corrosion atmosphérique, caractérisé par le fait qu'il comprend en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les proportions suivantes:

3. Procédé de fabrication d'un acier d'armature à résistance mécanique élevée pouvant être soudé jusqu'à une valeur déterminée en teneur de carbone, si nécessaire stable à la corrosion atmosphérique, caractérisé par le fait que l'on élabore dans un four une charge comprenant outre le fer, au plus 1,20% en poids de carbone, au plus 3,50% en poids de manganèse, au plus 2,80% en poids de silicium, au plus 1,00% en poids de molybdène, au plus 3,00 en poids de cuivre et/ou de nickel, au plus 0,15% en poids de zirconium et/ou cérium et 0,04-0,30% en poids de niobium et/ou vanadium, 0,008 à 0,035% en poids d'azote, 0,0005 à 0,025% en poids de calcium, 0,02-0,15% en poids d'aluminium et 0,001-0,05% en poids de bore et/ou béryllium et que l'on procède à la coulée, au laminage et au refroidissement.