Les éléments d’alliage : qui fait quoi

La liste des éléments d’alliage est la partie la plus ennuyeuse de toute conversation sur l’acier, et en même temps la seule qui montre pourquoi les nuances se comportent différemment. Avant d’aborder cette liste, deux choses valent d’être gardées en tête, sans quoi elle se transforme en recueil d’incantations.

La première : presque aucun élément ne travaille seul. L’effet dépend de la composition globale et du traitement thermique, et un même élément donne un résultat différent selon la nuance.

La seconde : ce qui compte n’est pas seulement la quantité d’un élément dans l’acier, mais l’endroit où il se trouve. Le carbone lie les métaux en carbures — des particules dures et fragiles. Le chrome parti dans un carbure ne protège plus de la rouille. Le vanadium dépensé là où le chrome abonde ne forme pas son propre carbure. Le chiffre de la composition et la propriété effective ne sont donc pas la même chose.

La base

Carbone (C) :

• augmente l’edge retention et la résistance à la traction ;
• augmente la hardness, améliore la wear resistance et la résistance à l’abrasion ;
• réduit la ductilité à mesure que sa teneur augmente ;
• assure la trempabilité.

Chrome (Cr) :

• augmente la hardness, la résistance à la traction et la toughness ;
• augmente la résistance à la corrosion, à la chaleur et à l’usure ;
• au-delà de 11 %, rend l’acier « inoxydable » en provoquant la formation d’une couche d’oxyde ;
• les inclusions de carbures réduisent l’usure, mais le matériau lui-même devient plus tendre.

Les formateurs de carbures

Vanadium (V) :

• augmente la résistance, la wear resistance et la toughness ;
• améliore la résistance à la corrosion en favorisant la formation d’une couche d’oxyde ;
• ses carbures sont très durs ;
• augmente la résistance à l’écaillage ;
• coûteux.

Niobium (Nb) :

• limite la croissance des grains de carbures ;
• améliore l’usinabilité ;
• forme le carbure le plus dur ;
• augmente la résistance, la tenue à chaud, la résistance à la corrosion et la toughness.

Molybdène (Mo) :

• augmente la résistance, la hardness, la trempabilité et la toughness ;
• améliore l’usinabilité et la résistance à la corrosion.

Tungstène (W) :

• ajoute de la résistance et de la toughness, améliore la trempabilité ;
• conserve la hardness à température élevée ;
• augmente la résistance à la corrosion et à la chaleur.

Titane (Ti) :

• augmente la résistance, la toughness, la tenue à chaud et la résistance à la corrosion, et réduit le poids ;
• augmente la hardness et la wear resistance si de l’azote ou du carbone se trouve à la surface de l’alliage.

Tantale (Ta) :

• augmente la résistance à la corrosion et aux hautes températures, la résistance mécanique, la ductilité et la toughness.

À la place du carbone

Azote (N) :

• remplace le carbone dans le réseau cristallin : l’atome d’azote fonctionne comme un atome de carbone, mais apporte des avantages inhabituels en matière de résistance à la corrosion.

Les autres participants

Cobalt (Co) :

• augmente la résistance et la hardness, permet la trempe à des températures plus élevées ;
• renforce les effets propres des autres éléments dans les aciers plus complexes ;
• augmente la résistance à la chaleur et à la corrosion.

Nickel (Ni) :

• ajoute de la rigidité ;
• augmente la résistance à la corrosion et à la chaleur ;
• réduit la hardness ;
• en présence excessive, empêche la trempe lors du traitement thermique.

Manganèse (Mn) :

• augmente la trempabilité, la wear resistance et la résistance à la rupture ;
• désoxyde et dégaze en retirant l’oxygène du métal en fusion ;
• en grande quantité, augmente la hardness et la fragilité ;
• augmente ou diminue la résistance à la corrosion selon le type et la nuance d’acier.

Silicium (Si) :

• augmente la résistance, la tenue à la chaleur et à la corrosion ;
• désoxyde et dégaze en retirant l’oxygène du métal en fusion.

Cuivre (Cu) :

• augmente la résistance à la corrosion.

Plutôt des impuretés

Phosphore (P) :

• améliore la résistance, l’usinabilité et la hardness ;
• augmente la fragilité à forte concentration.

Soufre (S) :

• améliore l’usinabilité lorsqu’il est ajouté en quantités infimes ;
• est généralement considéré comme un polluant.

Comment s’en servir

De cette liste se dégage d’elle-même la logique de conception d’un acier à couteaux. Un couteau a besoin d’une combinaison de hardness élevée, de toughness et de wear resistance, et chaque exigence supplémentaire imposée à l’alliage retire quelque chose aux autres.

Les aciers rapides, par exemple, réclament de grandes quantités de molybdène ou de tungstène pour la « dureté à chaud » — la capacité de ne pas s’adoucir sous l’échauffement du travail à grande vitesse. L’exigence est légitime, mais elle contraint : sans elle, on pourrait optimiser la composition en faveur de la toughness et de la wear resistance. L’exigence d’inoxydabilité fonctionne exactement de la même façon — elle oblige à mettre beaucoup de chrome.

De là viennent aussi les procédés modernes. Le niobium est un formateur de carbures plus puissant que le vanadium : il forme ses carbures même là où le chrome abonde, si bien que remplacer une partie du vanadium par du niobium réduit la quantité de carbure de chrome. Le vanadium entraîne davantage de carbure de chrome, le niobium non. L’azote, de son côté, est moins enclin à former des nitrures de chrome que le carbone à former des carbures de chrome, et il monte la hardness tout autant ; remplacer partiellement le carbone par de l’azote donne donc le même niveau de hardness avec une meilleure résistance à la corrosion et une meilleure toughness.

On combine les deux. Le S45VN contient à la fois 0,5 % de niobium et environ 0,17 % d’azote — d’où une quantité de carbure de chrome à peine supérieure à celle du S30V et du S35VN, alors qu’il titre 16 % de chrome et non 14 %.

La conclusion pratique de cette liste est simple : la composition inscrite sur la fiche d’un acier n’est pas une liste de qualités, mais une liste de compromis, et il faut la lire comme l’inventaire de ce que le fabricant a décidé de sacrifier.