ACIERS PHOSPHOREUX DE TKRRBNOIRB, RÉSISTANCE A L'EXTENSION

NUMÉROS

Mn.

Si.

Ph.

Coulées A... .

Tractt

Traces

à peine

b peine

sensibles, i

sensibles.

Les chiffres relatifs aux coulées A, B, C sont des moyennes

Les coulées 41, 35, 45 sont celles de la série phosphorée de l'Exposition de 1818.

Nous devons nous borner à donner quelques chiffres résumant ces expériences; les analyses indiquées représentent une moyenne.

Hésistance à l'extension. — En combinant les résultats relatés ici avec ceux des coulées faites au point de vue spécial de l’Exposition de 1878, il est facile de conclure :

1° Que l’allongement n’est pas diminué par la présence de 0,300 % et même 0,400 % de phosphore dans les aciers (dits fers phosphoreux fondus) et qui ne contiennent généralement que fort peu de carbone 0,200 à 0,300 °/„.

2° Que le phosphore exerce une très grande influence sur la charge à la limile d’élasticité et sur la résistance maxima à la rupture, et Ton peut dire que 0,100 % de phosphore augmente la résistance maxima à la rupture de 1 kilogr. 500 par millimètre carré; son influence est doncàce point de vue presque aussi forte que celle du manganèse et marquée par 1/4 de celle du carbone. La charge à la limite d’élasticité est fortement affectée, puisqu’elle atteint 62 à 66 % de la résistance maxima à la rupture ; il y a dans l’observation des chiffres du tableau cidessus (études de 1874) et des coulées 35, 41, 43, de l’Exposition de Terrenoire en 1878, une concor-

dance véritablement remarquable et sur laquelle nous insistons particulièrement : elles sont en effet le résumé de deux séries d’expériences, faites à des points de vue différents, à quatre années de distance, par des opérateurs et des chimistes différents, en introduisant dans le bain soit des fontes initiales, soit de vieux rails phosphoreux.

Enfin, ces mêmes expériences montrent que la contraction est généralement plus faible pour un même allongement que pour les aciers carburés et manganésés ; et dans des essais faits sur des tôles de 10 millimètres d’épaisseur, nous avons souvent constaté des allongements de 20 à 25 % mesurés sur 200 millimètres entre repères, alors que l’allongement pour 100 mesuré sur 100 millimètres atteignait soulement 21 à 25 ou 26 %, c’est-à-dire que la barre s’allongeait également dans toutes ses parties. C’est là un caractère d’homogénéité qui s’explique facilement si Ton se rappelle que pour une même teneur en carbone, les aciers contenant du phosphore sont beaucoup plus fluides que ceux exempts de cet élément; que, par suite, le départ des gaz s’y fait plus facilement, et que Ton obtient des lingots ne présentant que peu ou point de soufflures.

FER (MÉTALLURGIE DU). — 77î> — FER (MÉTALLURGIE DU).

Ainsi donc les aciers phosphoreux sont caractérisés par une très forte charge à la limite d’élasticité, une résistance maxima à la rupture assez forte, mais moindre que le double de la charge à la limite d’élasticité, une contraction presque toujours faible jointe à un allongement (quand le métal a été convenablement recuit) généralement aussi considérable que celui correspondant à la même composition chimique comme carbone et manganèse, mais sans phosphore.

llèsistance â la flexion. — Grâce à leur composition et à une forte teneur en manganèse, les aciers phosphoreux ont une forte charge à la limite d’élasticité par flexion; en outre, cette charge croît avec la teneur en phosphore, fait qu’il faut rapprocher des essais par traction ; de plus, le métal phosphoreux, ayant dépassé le point de déformation permanente, devient pour ainsi dire mou et se déforme plus vite que les aciers ordinaires; il doit en efl’et, vu la faible distance entre L et R (ce qui le rend fragile au choc), se déformer plus vite pour atteindre le même allongement ou, dans le cas de l’épreuve par flexion, la même flèche.

Les aciers phosphoreux, tout en durcissant dans une certaine proportion par la trempe, conservent encore un allongement assez considérable, ce qui a fait dire que le phosphore empêchait la trempe; c’est là une erreur qui ne doit pas se propager et qui a été commise à une époque où l’on ne connaissait que les aciers durs par le carbone. Il faut bien remarquer que les aciers phosphoreux semblent moins susceptibles de se tremper, par ce seul fait qu’ils sont en général, pour ne pas dire toujours, moins carburés que les aciers ordinaires pour rails; ce sont des aciers à 0,300 °/0 de carbone, tandis que les aciers Bessemer couramment employés en France pour rails en contiennent 0,500 a 0.700 °/o et rentrent parfaitement dans les aciers trempant énergiquement. (Nous ne parlons pas ici des rails dephosphorés, qui n’ont pas encore fait leurs preuves.)

M. Akerman, professeur à l’École des mines de Stockholm, a étudié d’une manière fort remarquable l’effet de la trempe sur les métaux phosphoreux, et les résultats obtenus sont relatés dans un de ses derniers travaux, écrit en suédois et traduit en anglais. 11 rappelle ce fait que, pour les fers phosphoreux, la contraction et l’allongement peuvent être augmentés par la trempe, et fait remarquer en particulier que pour ces fers, qui sont très fusibles, on a affaire à des métaux obtenus presque par fusion, et que le fer fondu obtenu au Martin, contenant 0,150 °/0 de phosphore, est meilleur après qu’avant la trempe.

Dans ce même mémoire, M. Akerman conclut

à l’importance de la considération du rapport —

(rapport de la limite d’élasticité à la charge de rupture, exprimés l’un et l’autre en kilogrammes par millimètre carré) pour définir le métal au point de vue de la résistance au choc. Nous avons dit dans un travail précédent sur les aciers que la mesure de la contraction donnait une idée exacte de la manière dont devait se comporter le métal au choc, et nous croyons que ces deux coefficients

Cet - sont l’un et l’autre importants à consi- R

dérer.

Toutefois nous pensons qu’au

rapport ^ on

doit substituer le coefficient (Tr — Te), c’està-dire l’aire représentant le travail supporté par le métal entre le moment de sa déformation permanente et le moment où il arrive â la rupture.

La considération de Tr — Te conduit dans cer-

tains cas à des résultats qui paraissent anormaux au premier abord et que nous devons préciser ; nous prendrons comme exemples les coulées types de Terrenoire : série carburée, série inanganésée, série phosphoreuse.

Dans la première catégorie, aciers durs par

le carbone, on remarque que - = environ -

pour le métal recuit (voir les essais donnés ci-

dessus) et devient = à — pour le métal trempé

à l’huile; la limite d’élasticité est donc ainsi plus voisine de la charge de rupture, et l’acier devient plus fragile au choc. Tr — Te, varie également et devient plus petit pour le métal trempé par suite de l’abaissement de l’allongement.

Dans la série mannanesee — = —--n pour le

i\ "1 joli

métal recuit, ce qui montre l’avantage d’une certaine proportion de manganèse pour la limite d'élasticité, et ce rapport reste à peu près le même pour les aciers trempés; malgré cela, Tr— -Te diminue, parce que les aciers manganèses durcissent beaucoup par la trempe, au point de vue spécial de la ductilité.

En ce qui concerne les aciers phosphoreux, le L 1

rapport - est voisin de pour le métal recuit,

et Tr — Te est très considérable, ce qui pourrait conduire à la conclusion que les métaux phosphoreux résistent bien aux chocs (c’est là une anomalie qui demande à être étudiée).

Pour les aciers phosphoreux trempés, le rap- L 1

port - devient — — et Tr — Te diminue malgré R j ,70

cela. On voit doue qu’en réalité on peut dire que le métal phosphoreux paratt devenir meilleur

par (la trempe, si l’on considère le rapport ->

mais n’est pas amélioré si l’on considère la valeur Tr — Te, que nous considérons comme donnant

mieux que — la valeur de la résistance a choc;

mais il est nécessaire, en tout cas, de faire des expériences directes au choc.

En résumé, des considérations qui précèdent sur l’influence des corps étrangers qui entrent le plus généralement dans la constitution des aciers ou fer fondus, nous avons proposé les formules suivantes comme représentant la moyenne des résultats obtenus en essayant à la traction diverses séries d’aciers, principalement en ce qui concerne la résistance maxima et l’allongement a' à la rupture, formules se rapportant au métal recuit :

R (kilogr. par ra/m*) = [30 -f- 18c -f 3Gc*]

+ 1,80 Mn + 1,50 Ph -f 1,00 Si a' (allongement °/„, mesuré sur 100 millimètres) = [42 -36c] — 0,55 Mn — 0,60 Si

et dans lesquelles les teneurs en carbone, manganèse, silicium, phosphore sont exprimées en tant pour 100.

Nous n’avons pas fait intervenir le soufre dans ces formules, n’ayant pu, faute de chiffres, déter miner le coefficient spécial relatif à cet élément. Nous ferons la même remarque pour le chrome.

En rapprochant ces formules des observations que nous avons faites sur les valeurs relatives de la charge à la limite d’élasticité, de la résistance maxima à la rupture, des allongements pour 100 mesurés sur 100 et 200 millimètres, do la contraction pour 100, etc., on aura tous les éléments caractérisant un type d’acier donné,

FER (MÉTALLURGIE DU). — '

an moins en ce qui concerne les essais à la traction.

Cos formules sont applicables au fer doux fondu, homogène et soudable, tel qu’il est obtenu aujourd’hui, soit en Suède avec des minerais extrapurs, soit en Autriche au Bessomer basique (Witkowitz), soit dans quelques autres usines du continent, qui essayent la déphosphoration sur sole et arrivent de cette manière à produire du fer doux fondu de pureté idéale.

Les formules donnent pour le fer doux fondu contenant à peine 0,100 "/„ de carbone (mieux 0,000 à 0,080), environ 0,200 à 0,300 °/o de manganèse et des traces non dosables de silicium, soufre et phosphore :

R = 30 à 32 kilogr. par m/m* a' = 42 à 40 % mesuré sur 100 m/œ.

Pour compléter ce qui est relatif aux propriétés mécaniques des aciers, nous citerons ici pour mémoire les intéressants essais à la torsion, à la compression, au cisaillement, etc., faits par le professeur Bauschinger sur les aciers de Beschitzaet pour lesquels nous renverrons aux mémoires spéciaux.

Comparaison des divers modes d’épreuves. — Après nous être occupés avec quelques détails des essais de différents genres auxquels peuvent être soumis les aciers, il nous faudrait maintenant établir, dans les limites du possible, les rapports existant entre les divers modes d’essai.

Quelle est, par exemple, la relation entre les essais à la traction, à la torsion, au choc, etc. ?

Ce serait là une question intéressante à élucider, et nous pouvons dire dès à présent que le mieux pour apprécier la qualité d’un métal est de faire simultanément des essais à la traction et des épreuves de choc ou de pliage : c’est ainsi que procèdent du reste l’artillerie et la marine; les compagnies de chemins de fer ont surtout recours aux épreuves de flexion et dé choc, etc.

Les rapports suivants paraissent exister entre les essais à la traction, à la flexion et au choc.

Un métal qui, aux épreuves par traction, donne une faible charge à la limite d’élasticité, donne également une faible valeur de R, et, en général par contre, un fort allongement et une contraction le plus souvent variable, mais intimement liée à la pureté physique du métal. Si les valeurs de L et R croissent, C et a' diminuent : voilà une loi générale qui s’applique à l’acier type, c’est-à-dire à l’acier carbure. Le même métal essayé à la flexion donnera une faible charge à la limite d’élasticité et une forte flèche à la rup*| ture, de sorte que la charge de rupture par flexion semble devenir très considérable; mais, en réalité, cela tient à ce que l’on arrive à un pliage considérable avant d’atteindre la rupture. Contrairement, un acier dur, ayant à la traction une forte charge à la limite d’élasticité et une forte résistance maxima à la rupture, présentera à la flexion une très forte valeur de L, une très faible flèche, et la valeur de R suivra de très près la valeur de L, dans le cas où la valeur de C dans l’essai à la traction est faible. Dans le cas, au contraire, où C est grand, la valeur de R s’éloigne de L et devient quelquefois fort considérable, comme dans le cas des aciers manganésés et chromés, etc.

Si l’on examine les essais au choc, on peut dire qu’un métal doux à la traction sera doux également au choc, à la condition toutefois d’avoir une forte contraction; c’est ainsi que les aciers relativement durs à 0,600 ou 0,700 de carbone résistent parfaitement aux chocs ; de même les aciers à faible teneur en carbone contenant 0,800 à 1 °/„ de manganèse.

L’essai à la traction peut donc dans certaines

780 — FER (MÉTALLURGIE DU)

mesures être considéré comme le critérium de la valeur pratique des aciers, et c’est ce qui nous ; a fait choisir les résultats fournis par ce genre i d’essai comme base d’une classification rationi nelle des aciers.

i Les aciers durs à la traction résistent égalei ment bien à la compression, et très bien surtout • au cisaillement (par pression lente et non par

i choc). A la torsion, les aciers se classent de

même, et il a été constaté que les aciers doux i pouvaient subir sans rupture une torsion de près ; de deux circonférences.

Enfin, pour résumer ce qui concerne l’influence , du carbone, du manganèse, du chrome, du silicium, du soufre et du phosphore sur les propriétés physiques et mécaniques des aciers, nous dirons :

a. Le carbone rend les aciers rigides et élastiques , il accroît leur charge à la limite d’élasti-

i citôou, ce qui revient au même, leur allongement ’ élastique maximum; mais leur résistance vive de i rupture Tr diminue dès que le carbone dépasse i 0,500 °/„; le carbone diminue l’allongement et la contraction, ce qui se traduit pour les aciers durs par une fragilité au choc.

b. Le manganèse, comme le carbone, rend les aciers rigides et élastiques, et accroît leur allon-

i gement élastique maximum, tout en laissant l’allongement à la rupture assez considérable, ainsi que la contraction, ce qui se traduit par une forte i valeur de L et de R à la flexion, une bonne résistance au choc et aussi une valeur plus grande (que pour les aciers simplement carburés) de la 1 résistance vive de rupture.

c. Le chrome (et tous les métaux analogues tels i que le tungstène, etc.) a pour effet d’élever dans

un acier simplement recuit la limite d’élasticité, la charge de rupture, tout en laissant à cet acier l’allongement correspondant à sa teneur en carbone ; les aciers chromés présentent une forte contraction et, quoique durs, ils sont moins fragiles au choc que les aciers simplement carbui rés ; ils paraissent être remarquablement résistants à la compression, et Tr à une grande i valeur.

i d. Le silicium joue le même rôle que le carbone, avec un coefficient de 1/6 environ; il rend les aciers durs, en diminuant légèrement les allongements; la valeur du travail de résistance vive à la rupture décroît par suite avec l’augmentation de la teneur en silicium.

e. Le soufre rend les aciers non homogènes, diminue la charge de rupture et l’allongement tant à la traction qu’à la flexion et au choc.

| f. Le phosphore rend les aciers rigides et élastiques, accroît leur allongement élastique maximum et leur résistance vive de rupture par traction (fait assez anormal, puisqu’ils sont fragiles au choc), mais ne modifie pas leur dureté. Ces aciers manquent de corps, ils sont rigides sans être durs. Aux essais à la flexion et à la traction, ils paraissent, pendant les premiers instants de l’épreuve, supérieurs, mais deviennent ensuite i mous, arrivent vite à la rupture et sont principalement fragiles au choc dès que la proportion de phosphore dépasse 0,250 °/0, même si le carbone reste voisin de 0,300 %• En diminuant encore la proportion de carbone, on arrive à des résultats fort remarquables; toutefois, pour apprécier le manque de corps des aciers phosphoreux, il est nécessaire de faire des essais de choc qui révèlent leur infériorité, fait, du reste, que l’on peut prévoir par la considération de leur faible i contraction de section aux épreuves par simple traction. Ce sont des aciers qui sont élastiques,

, mais qui deviennent peu apres mous et fragiles.

Aux essais de traction, flexion, etc. il faudrait joindre des épreuves au choc bien comparatives i et, en outre, des épreuves à la pénétration par

pression lente ou par choc qui peuvent offrir le plus grand intérêt pour les aciers destinés au matériel d’artillerie, de la marine et des chemins de 1er.

Dans les tableaux qui accompagnent ce travail (voir également plus loin, Classification des aciers ), nous avons donné non seulement les valeurs de L, R, C, o, a', mais également les valeurs des travaux de résistance vive élastique et de rupture exprimées par les formules suivantes :

(i étant l’allongement élastique), qui représente le petit triangle correspondant a la période d’é-

lasticité dans les diagrammes tracés à l’aide des données des expériences à la traction :

T r = AL / ? (i) di

ou approximativement la formule proposée par M. Tournaire qui, dans la plupart des cas, est suffisante pour la comparaison des divers types d’acier et dans laquelle il n’est pas tenu compte de la période de striction.

[2] Tr = a(n —J-

Les diagrammes ci-joints donnent dans la

figure 65 (voir Classification des aciers) la valeur de la résistance maxima à la rupture d’un acier en fonction de ses teneurs en carbone et en mananèse. Pour avoir, par exemple, la résistance ’un acier à 0,600 % de carbone et 0,750 °/0 de manganèse, on tracera une verticale par le point 6 de l’échelle des abscisses jusqu’à la rencontre de la ligne ponctuée Mn = 0,750 ; la longueur de cette verticale donne la résistance maxima à la rupture par traction, soit 67 kilogrammes par millimètre carré.

Les figures 61 et 62 donnent les travaux de ré-

sistance vive de rupture pour les aciers <H< séries carburée et manganésée de l’exposition do Terrenoire (Paris, 1878).

Dans ces figures les abscisses représentent les allongements a; les ordonnées, les charges de rupture R pour le métal simplement recuit.

La ligne OL est celle correspondant à la limite d’élasticité; le module d’élasticité étant constant pour tous les aciers; cette ligne est la même pour les differents diagrammes.

Dans la figure 62, correspondant à des aciers à teneur à peu près constante en carbone et ■< teneur

ahlfi fin mnno-nnfico r\n ~ » '

variable en manganèse, on trouvo que la ligne P Q est une droite ayant une équation de la forme

, d’où x

Le travail de résistance vive de rupture T r est égal dans chaque cas à l’aire complète du rectan-

dw/« in r ’ P “iS es2/3 du rectangle supérieur, d J formule proposée par M. Tournaire.

Les deux rectangles, ayant même base, sont

entre eux comme JL-, rapport qui est à peu HoèaSnri°nStanlt P°"r- l0us les acicrs manganésés,

de sorte que le maximum du travail de résistance

Fig. 62. Variations 4e Tr avec la teaour en manganèse. Séria manganésée.

vive de rupture aura lieu pour le maximum de l’expression

— étant constant, le maximum a lieu quand B

B — V — y ou y = —, ce qui correspondant pour

les aciers manganésés à 57 kilogr. 50 et 20 % d’allongement, c’est-à-dire le type des aciers pour pièces soumises à de grands efforts de flexion et de choc.

Pour les aciers carburés (fig. 2) la ligne M N n’est plus droite, mais on peut calculer approximativement la valeur Tr.

Ce maximum a lieu pour des aciers dont la charge de rupture par traction est de 35 à 45 kilogrammes par millimètre carré avec 30 à 20 %> chiffres correspondants aux aciers employés par

la marine pour tôles douces, et plus particulièrement aux tôles suédoises publiées par le Jernkontoret.

Nous devons faire observer ici que les diagrammes ci-dessus ne sont qu’approximatifs. En décembre 1880 ( Industrie minérale de Saint- Etienne ), nous avons appelé l’attention sur l’intérêt qu’il y aurait à disposer les machines à traction de manière à tracer les diagrammes du travail, comme cela se fait pour la vapeur. M. V. Pohlmeyer a réalisé ce desideratum et a construit une machine donnant les diagrammes exacts; cette machine ouvre ainsi la voie à des études plus exactes et plus scientifiques sur les propriétés mécaniques des aciers.

Propriétés magnétiques, èleclrochimiques, etc. des aciers. — MM. Durassier et Trêves sont arrivés dans leurs études sur le magnétisme des aciers aux conclusions suivantes :

Les aciers se distinguent par la faculté de prendre la trempe et de garder leur magnétisme. Pour étudier ce qui concerne le magnétisme, ils ont opéré sur une série d’aciers ayant une teneur en carbone variant de 0,250 à 0,950 %• Ces aciers ont été trempés en trois séries : à l’huile, à l’eau et à l’eau bouillante, puis aimantés jusqu’à saturation par la méthode de double touche, et la force coercitive mesurée par la méthode des déviations.

L’angle de déviation varie avec le degré de trempe, mais la variation est faible; il varie également avec la teneur en carbone et passe de 47° pour un acier renfermant 0,950 de carbone et 95 kil. 50 de résistance à la rupture a 13° pour un acier à 0,250 et 41 kilogr. 30.