CA1147174A

CA1147174A - Acier d'armature a haute resistance mecanique

Info

Publication number: CA1147174A
Application number: CA000331686A
Authority: CA
Inventors: Henrik Giflo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1979-07-12
Publication date: 1983-05-31

Abstract

Acier d'armature à haute résistance mécanique. L'invention a pour objet un acier d'armature comprenant en plus du fer, au plus 1,20% en poids de carbone, au plus 3,50% en poids de manganèse, 0 à 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% 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 0,01-0,05% en poids de bore et/ou de béryllium, 0 à 0,050% en poids de P et 0 à 0,050% en poids de S. Cet acier présente une résistance mécanique élevée, peut être soudé jusqu'à une teneur en carbone déterminée et est stable à la corrosion atmosphérique.

Description

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La présente invention est relative à un acier d'arma-ture ou rond a béton à haute résistance mécanique, aisément soudable jusqu'à une teneur déterminée de carbone, qui est ré-sistant à la corrosion par l'air, qui satisfait de façon optima-le les exigences de la construction moderne. Cet acier est i;lté-ressant en particulier dans la construction d'él~ments de beton à propriétés complexes, qui doivent présenter de bonnes propri-étés de portance et pouvoir être utilisés dans des conditions de température élevée ainsi que dans la préparation de constructions par co~frage 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 éle-vée, 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 con-traintes de traction et déchargent le béton de telles contrain-tes. 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 fa~on d'introduction ou les contraintas auxquelles ils sont destinés à être soumis. Le mode d'utilisation détermine en même temps les exigences requises pour de tels asiers.
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 construc-tion. Ces aciers d'armature sont laminé à c~aud, il s'agit le plus souvent d'aciers ronds non alliés ou faiblement alliés pour-vus 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 appro-priée, des nervures augmentant l'adhérence nécessaire pour le transfert des forces et en cas de nécessité ils doivent pouvoir ~7~

être soudes.
Dans l'autre mode d'utilisation, les sollicitations de traction de la construction sont éliminées par les ronds à bé-ton, 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 com-pression par l'acier d'armature noyé dans celui-ci après solidifi-cation 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 précon-traint 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 précon-~o traints sont déjà, du fait que leur fonction ne sont pas les me-mes, différentes des exigences requises pour les aciers d'arma-ture laminés à chaud. Leur limite d'élasticité apparente doit atteindre au moins 80% de leur résistance à la traction et en plus, l'élasticité doit présenter une flexion minimale, une relax-ation appropriée et une sensibilité a la corrosion sous contrain-te faible.
La résistance à la traction élevée des aciers d'arma-ture 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 .~ - 2 -7~L

retrait et de la dé~ormation lente du b~ton perd de ce fait de son import~nce.
En principe, on pourrait de ce fait utiliser dans le béton comme rond à béton, un type d'acier pour lequel la modifi-cation de la longueur résultant des sollicitations est faible mais pour lequel le domaine de variation de la forme est suffi~
s~nment large.
L'acier d'armature non précontraint noyé, qui doit ~tre utilisé dans le béton doit présenter une plasticité qui to-lère une fissure du béton à la suite des contraintes de flexionde 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 propriétés rhéologiques favorables et une bonne stabilité à la corrosion sous contrainte.
On connaît actuellement des aciers d'armature utilisa-bles sous contrainte ou non et présentant des résistances méca-niques appropriées. La composition chimique des aciers d'arma-ture qui ne sont pas utilisés pour la précontrainte est caracté-ri~ée par le fait q~e la teneur en carbone est le plu9 souvent égale au maximum à 0,60% en poids et que leur teneur en manganè-se est comprise entre 0,50 et 1,60% en poids. Quelques aciers contiennent en plu3 0, 20 - 0,60% en poids de silicium et 0~0~O
en poids de niobium ou de vanadium. Les aciers qui sont utilisés sous forme laminee à chaud et qui ne sont pas appropriés pour la précontrainte sont an général soudables jusqu'à une teneur en car-bone égale au plus à 0,20%. Leur résistance à la traction est comprise généralement entre 350 et 600 N/mm2 et peuvent être uti-lis~s dans 40 à 60% des constructions. La résistance à la trac-tion du domaine non soudable est comprise entre 600 et 800 N/mm2, mais seulement 30 à 40% peuvent être utilisés pour la transmis-~47~7~

sion d~lne flexion quine n~cessite pas une mvdi~ication de formedéfinitive.
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 caracté-risée 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 sili-cium 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 leur pro-priétés mécaniques est une résistance à la traction comprise entre 1300 et 1~50 N/mm2 et par une traction qui nécessite une déformation cle 0,05% qui reste de 800 à 1200~/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 sou-dés dans des domaines de résistance très étroits et produits par des procédés technologiques compliqués nécessitant une main d'oeuvre nombreuse pour ob~enir l'effet de ressort nécessaire dans les utilisations et la construction modernes.
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 car-bone déterminée, qui peut atre 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 corro-sion sous contrainte et qui est approprié pour la fabricationd'éléments de béton ou de construction en coffrage qui satisfont de fa,con optimale aux exigences de la construction mais qui peu-'7~

vent atre utilisés ~galement à des températures plus élevées.
Ce but est atteint par le fait que l'acler d'armatureselon l'inv3ntion comprend en plus du fer, au plus 1,20% de car-bone, 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 zir-conium et/ou cérium, 0,04 à 0~30/O 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.
Des aciers plus particulièrement préférés selon l'inven-tion comprenne~t en plus du fer et des éléments résiduels habi-tuels les éléments suivants dans les proportions ci-dessous indi-quées.
C 0,04 - 1% Zr 0,001 - 0,01 Mn 1 - 2,5% Nb 0,01 - 0,2 Cu 0,05 - 2% N 0,018 - 0,035 Mo 0,01 - 1% B 0,001 - 0,010 Ni 0,01 - 1,5% Ca 0,0005 - 0,01 Quelques-uns des éléments de l'alliage, dans les pro-portions selon l'invention, forment des composé~ métalliques com-plexes qui pour partie forment dejà 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 reseau.
D'autres eléments 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.

Dlautres éléments de l'alliage s'enrichissent par lloc-cupation des d~fauts du réseau à la limite des grains, de sorte que le phénomène de précipitation non cohérente est retardé. De ~73~

cette fa,con l'enrichissement de tels precipités le long des li-mites de~ grains est empêché, l'homogénéité de leur disposition est assurée et la résistance des limites de grain e~t augmentée.
En augmentant le nombre de germes cristallins de di-mensions critiques on élève d'une fac,on sensible l'aptitude à la cristallisation de la coulée et l'on abaisse le temps de solidi-fication ainsi que la dimension des grains primaires. On élève de cette fa,con brusquement la surface des limites de grains dans la matrice unitaire de sorte que l'on diminue sen~iblement la possibilité de formation d'enrichissement et la charge spécifi-que 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 germi-nation telles, au cours de leur mise en solution, de la solidi-fication, de la recristallisation et de la déformation à chaud que la disponibilité desconstituants pour entrer de façon inter-stitielle en solution, la quantité de ces constituants ainsi que le nombre et le degré de contrainte, des réseaux précontraints de cette facon se trouvent nettement augmentés. Grace à l'aug-mentation du nombre des réseaux présentant une précontrainte in~
terstitielle et de leur degré de contrainte, on augmente de fa-çon sensible le nombre des dislocations créées par voie métallur-gique qui favorisent ou déterminent l.a 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 précipi-tations lors du déplacement frontal des dislocations provoquées par les charges.

Grâce aux éléments encastrés et enrichis dans les dé-fauts des limites des grains, on réduit la vitesse de diffusion ou le nombre des atomes de métal avoisinants, on diminue de ce 7~

fait ~galament la formation de germes incohérents. On évite ainsi qu'il se forme le long des limites des yrains, une zone inhomogène, par des élément~ d'alliage ou des précipitations et que leur xésistance mécanique ou leur résistance au fluage dimi-nue. On retarde de ce fait l'éclatement qui se produisait anté-rleurement aux linites des grains a la suite des chargas et on augmente leur allongement et contraction lors de la rupture par fluage.
Grace à ce phenomèrle, on élève notablement la plastici-té, l'aptitude à la déformation à chaud et à froid ainsi que larésistance utile de l'acier d'armature.
Les éléments selon l'invention, et leur proportion per-mettent d'obtenir automatiquement une qualité métallurgique re-marquable 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 traite-ment ou déformation à froid mais par une combinaison effective du mécanisme de consolidation. Dans le domaine non soudable, on peut obtenir de fac,on très simple et: avec des dépenses plus fai-bles des résistances mécaniques notcu~nent plus élevées ainsi quedes 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 con-centrent si nécessaire à la surface de l'acier au cours du procé-dé 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 alli~s connus.
L'acier d'armature selon l'invention est bien soudabla jusqu'à une teneur en carbone déterminée et ses propriétés sont '7~

semblablesclans la zone d'influence thermique au cours du soudage, au~ propriét~s du produit cle départ.
L'acier d'armature selon l'invention peut être pr~paré
et travaillé avec le~ mêmes installations que les aciers d'arma-ture connus, ce qui signifie qu'il ne nécessite pas de nouvelles installations et investissement~ 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 élar~it l'intervalle de résistance dans lequel on peut utili-ser,un assemblage par soudage.
En ce qui concerne le transfert des forces, il nécessi-te une section d'acier d'armature nettement inférieure et le poids de la construction en béton peut de ce fait être diminué de fa-~on significative tout en maintenant la couche de béton prescrite.
Les co~ts de fabrication des produits préparés à par-tir de l'acier selon l'invention ne dépassent pas du fait de la résistance mécanique améliorée le niveau moyen actuellement at-teint.
Les résultats industriels obtenus grâce aux avantages technique~ des aciers d'armature ~elon 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 décr~ts ci-après à l'aide de quelques exemples de réalisation.

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 ton-nes et ensuite coulées dans des lingotières de 3,5 tonnes de pro-~7~74 fil quadratique. Les lingots coulés résultants ont ensuite étélaminés dans les conditions normales en des blocs carrés ayant une section de 180 mm, ils ont ensuite été laminés en des ronds à béton avec de~ rainures et un diamètre de 16 mm et amenés à
refroidir à l'air sur un rafroidisseur.
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 qua-dratique. Cette charge a été laminée de fac,on similaire à celle des charges let 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 sui-vants:

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TABLF.AU 3 Le r~sultat des essais de l'acier d'armature obtenu par traitement thermique de la charge 3 figurent ci-dessous.
Désignation Unité de mesure Valeurs R 0,002 N/mm2 1720-1956 Rproportionnel N/mm2 1529-1806 Rm N/mm 1912-2150 A50 mm % 6,8-7,0 Diminution de tension de l'échantillon chargé
pendant plus de 1000 h à 70% de Rm % 0,32-1,15

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

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 et des élèments résiduels normaux, 0,04 à 1,20% en poids de carbone, 1 à 3,50%
en poids de manganèse, 0 à 2,80% en poids de silicium, 0,01 à
1,00% en poids de molybdène, 0,05 à 3,00% en poids de cùivre ou d'un mélange de cuivre et de nickel, 0,001 à 0,15% en poids de zirconium ou de cérium ou d'un mélange de zirconium et de cérium, 0,01-0, 30% en poids de niobium ou de vanadium ou d'un mélange de niobium et 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 0,001-0, 05% en poids de bore Otl de béryllium ou d'un mélange de bore et de béryllium, 0 à 0,050% en poids de P
et 0 à 0,026% en poids de S.

2. Acier selon la revendication 1,caractérisé par le fait qu'il comprend an plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les proportions suivantes:

3. Acier selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les proportions suivantes:

4. Acier selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les proportions suivantes: