Histoire & glossaire
Une brève histoire du métal
L’histoire de la métallurgie ne commence pas avec l’âge du fer. Bien avant celui-ci, l’être humain avait déjà appris à travailler certains métaux, notamment le cuivre. D’abord utilisé sous sa forme native, celui-ci fut progressivement extrait de minerais puis transformé grâce à la maîtrise croissante du feu et des techniques de métallurgie.
L’âge du bronze
L’âge du bronze marque une étape majeure de cette évolution. Le bronze est un alliage principalement constitué de cuivre et d’étain. Plus dur et généralement plus adapté à la fabrication d’outils et d’armes que le cuivre pur, il permit le développement de nouvelles techniques de fabrication.
En Europe et au Proche-Orient, l’âge du bronze s’étend approximativement du IIIe millénaire au début du Ier millénaire avant notre ère. Ces dates doivent toutefois être considérées avec prudence : les différentes régions du monde n’ont pas connu les mêmes évolutions technologiques au même moment.
Certaines sociétés maîtrisaient déjà la métallurgie du cuivre ou du bronze alors que d’autres utilisaient encore principalement des outils en pierre.
La métallurgie eut également d’importantes conséquences économiques et sociales. Les gisements de cuivre et, surtout, d’étain ne se trouvaient pas nécessairement à proximité des lieux où les objets étaient fabriqués. Leur exploitation nécessitait donc l’organisation de réseaux reliant extraction, transport, commerce et transformation.
Le métal n’a ainsi pas seulement transformé les outils : il a également participé au développement des échanges entre populations et à la spécialisation des métiers.
L’âge du fer
L’âge du fer commence progressivement lorsque différentes civilisations apprennent à produire et à travailler efficacement le fer.
Cette évolution représente un véritable défi technique. Le fer pur possède une température de fusion d’environ 1 538 °C, contre environ 1 085 °C pour le cuivre. Les premiers métallurgistes du fer ne faisaient d’ailleurs généralement pas fondre complètement celui-ci : ils utilisaient des procédés permettant de réduire le minerai puis de travailler le métal obtenu par forgeage.
L’apparition de l’âge du fer ne s’est donc pas produite simultanément partout dans le monde. Elle dépendait notamment des ressources disponibles, des échanges entre populations et de la maîtrise des fours et des procédés métallurgiques.
Au fil du temps, la maîtrise du fer et de sa teneur en carbone conduira au développement d’un matériau qui occupe aujourd’hui une place centrale dans la construction : l’acier.
Du fer à l’acier
Contrairement au fer, l’acier n’est pas un métal pur mais une famille d’alliages à base de fer et de carbone.
La teneur en carbone des aciers se situe généralement entre environ 0,02 % et 2 % en masse. Cette proportion, qui peut sembler très faible, influence fortement les propriétés du matériau.
De manière générale, l’augmentation de la teneur en carbone permet d’obtenir un acier plus dur et plus résistant, mais tend également à réduire sa ductilité et peut rendre son soudage plus délicat.
D’autres éléments peuvent être ajoutés afin d’obtenir des propriétés particulières : chrome, nickel, manganèse, molybdène, silicium, vanadium, parmi beaucoup d’autres.
C’est ainsi qu’il existe aujourd’hui une très grande diversité d’aciers. Certains sont conçus pour être facilement formés et soudés, d’autres pour supporter des efforts mécaniques importants, résister à l’usure, aux températures élevées ou encore à la corrosion.
L’acier utilisé pour une structure métallique n’est donc pas choisi uniquement pour sa résistance. Il faut considérer un ensemble de propriétés physiques et mécaniques adaptées à l’utilisation prévue.
Une brève histoire du soudage
L’assemblage des métaux est presque aussi ancien que la métallurgie elle-même. Bien avant l’électricité, les forgerons avaient découvert qu’en chauffant suffisamment deux pièces puis en les martelant ensemble, il était possible de créer une liaison durable : c’est le soudage à la forge, réalisé sans faire fondre entièrement les pièces.
Le soudage moderne se développe surtout à partir du XIXe siècle avec la maîtrise de l’électricité et de l’arc électrique. Celui-ci permet de concentrer une grande quantité d’énergie sur une petite surface et d’atteindre rapidement les températures nécessaires à la fusion de l’acier. Dans le vocabulaire technique, le soudage désigne l’opération d’assemblage et la soudure, son résultat.
Au cours du XXe siècle se développent les principaux procédés encore utilisés aujourd’hui : soudage à l’électrode enrobée, TIG, puis MIG/MAG. La mécanisation et la robotisation élargissent ensuite leurs possibilités d’utilisation.
Que se passe-t-il lorsque l’on soude ?
Dans les procédés de soudage par fusion couramment utilisés pour l’acier, les surfaces des pièces sont chauffées localement jusqu’à leur fusion. Elles forment alors un bain de fusion, auquel peut être ajouté un métal d’apport. D’autres procédés, comme le soudage à la forge ou par friction, permettent un assemblage à l’état solide.
Lorsque la source de chaleur avance, le métal refroidit et se solidifie derrière elle pour former le cordon de soudure.
Le phénomène est très localisé : une petite région passe rapidement de la température ambiante à la fusion, tandis que le métal voisin est chauffé sans fondre. La partie non fondue dont la structure et les propriétés sont modifiées par ce cycle thermique est appelée zone affectée thermiquement (ZAT).
L’arc électrique et le plasma
Dans les procédés MIG/MAG, TIG et à l’électrode enrobée, la chaleur provient principalement d’un arc électrique établi entre une électrode et la pièce.
Sous l’effet du champ électrique et de la température, le gaz situé entre les deux s’ionise : des électrons se séparent des atomes. Ce mélange de particules chargées et de particules neutres permet le passage du courant : on parle de plasma.
Le passage du courant entretient dans l’arc des températures de plusieurs milliers de degrés, supérieures à celles nécessaires à la fusion de l’acier, qui dépendent de sa composition.
On retrouve aussi le plasma dans les étoiles, dont le Soleil : c’est l’état le plus répandu de la matière visible dans l’Univers.
Pourquoi protéger la soudure ?
Faire fondre l’acier pose cependant un problème : à haute température, le métal devient particulièrement réactif avec son environnement.
L’air contient notamment environ 21 % d’oxygène, ainsi qu’une grande quantité d’azote. Leur interaction avec le bain de fusion peut provoquer oxydation, porosités, inclusions ou autres modifications susceptibles d’altérer les propriétés de la soudure.
Il faut donc simultanément chauffer le métal et protéger le bain de fusion de l’atmosphère. C’est notamment le rôle des gaz de protection en MIG/MAG et en TIG. À l’électrode enrobée, l’enrobage produit des gaz protecteurs et un laitier qui recouvre le métal déposé.
Le choix du gaz distingue le MIG, sous gaz inerte, du MAG, sous gaz actif. Tous deux utilisent un fil-électrode qui fond et alimente le bain. Le TIG utilise une électrode en tungstène non consommable ; si un métal d’apport est nécessaire, il est ajouté séparément. Ces procédés sont détaillés dans le glossaire.
Quelques propriétés essentielles de l'acier
Résistance mécanique
Capacité d’un matériau à supporter des efforts sans se rompre. Une pièce métallique peut notamment être soumise à de la traction, de la compression, de la flexion, du cisaillement ou de la torsion.
Élasticité
Capacité du matériau à retrouver sa forme initiale après la disparition d’un effort. Tant que l’on reste dans le domaine élastique, la déformation est réversible.
Limite d’élasticité
Contrainte à partir de laquelle le matériau commence à subir une déformation permanente. C’est une caractéristique particulièrement importante dans le dimensionnement des structures métalliques.
Le saviez-vous ? Une voiture qui se déforme peut mieux protéger ses passagers.
On a longtemps associé une voiture solide à une carrosserie qui se déforme peu. Pourtant, une voiture peu déformée après un choc ne signifie pas que ses occupants ont été bien protégés : un arrêt très brutal peut leur imposer une forte décélération.
Les voitures modernes comportent des zones de déformation programmée, à l’avant et à l’arrière. Lors d’un choc, certaines pièces y dépassent leur limite d’élasticité et se déforment de façon permanente. Cette déformation plastique absorbe une partie de l’énergie du choc et allonge la durée du ralentissement, ce qui contribue à réduire les efforts subis par les occupants, en complément des ceintures et des airbags.
Le principe consiste à associer des zones capables de se déformer à un habitacle très résistant. On ne recherche donc pas simplement une limite d’élasticité basse partout : la géométrie des pièces, leur épaisseur, la résistance et la ductilité des aciers sont choisies selon le rôle de chaque zone.
Ductilité
Capacité d’un matériau à se déformer plastiquement avant de rompre. Un acier ductile peut subir une déformation importante avant rupture, contrairement à un matériau fragile qui peut casser avec relativement peu de déformation.
Dureté
Capacité d’un matériau à résister à une déformation locale, à la pénétration ou à l’usure. La dureté ne doit pas être confondue avec la résistance mécanique ou la ténacité.
Ténacité
Capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer avant de se rompre. Elle combine en quelque sorte résistance et capacité de déformation et joue un rôle important lorsqu’une pièce peut subir des chocs.
Soudabilité
Aptitude d’un matériau à être assemblé par soudage tout en conservant des propriétés satisfaisantes au niveau de la pièce et de la zone soudée. Tous les aciers ne présentent pas la même soudabilité.
Résistance à la corrosion
Capacité d’un matériau à résister aux réactions chimiques ou électrochimiques avec son environnement. L’acier au carbone peut par exemple être protégé par peinture, thermolaquage ou galvanisation, tandis que certains aciers inoxydables doivent leur résistance à la corrosion notamment à leur teneur en chrome.
Petit glossaire de la métallurgie
Alliage
Matériau constitué de plusieurs éléments chimiques dont au moins un est un métal. L’acier est principalement un alliage de fer et de carbone, tandis que le bronze est principalement un alliage de cuivre et d’étain.
Fer
Élément chimique de symbole Fe. Il constitue l’élément principal des aciers.
Acier
Famille d’alliages dont le fer constitue l’élément principal et contenant une quantité contrôlée de carbone ainsi que, éventuellement, d’autres éléments d’alliage.
Fonte
Alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est supérieure à celle des aciers. Elle possède des propriétés et des méthodes de fabrication différentes de celles des aciers couramment utilisés en construction métallique.
Métallurgie
Ensemble des techniques et connaissances liées à l’extraction, à l’élaboration, à la transformation et à l’étude des métaux et de leurs alliages.
Forgeage
Procédé consistant à déformer un métal, généralement à chaud, par l’application d’efforts mécaniques.
Laminage
Procédé dans lequel le métal passe entre des cylindres afin de modifier sa forme ou son épaisseur. De nombreux profilés, tôles et produits utilisés en construction métallique sont obtenus par laminage.
Galvanisation
Procédé de protection de l’acier contre la corrosion par l’application d’une couche de zinc.
Thermolaquage
Procédé de finition consistant généralement à appliquer une peinture en poudre sur une pièce métallique avant de la polymériser à chaud. Il permet d’obtenir une finition durable tout en participant à la protection de la pièce.
Soudage et soudure
Le soudage est l’opération qui crée une liaison permanente entre des pièces, par la chaleur, la pression ou leur combinaison, avec ou sans métal d’apport. La soudure est la liaison obtenue.
Soudage à la forge
Assemblage de pièces métalliques chauffées puis comprimées, notamment par martelage, sans fusion complète des pièces. C’est l’un des plus anciens procédés de soudage.
Arc électrique
Décharge électrique entretenue dans un gaz ionisé entre deux conducteurs. En soudage à l’arc, elle fournit la chaleur nécessaire à la fusion du métal.
Plasma
État de la matière constitué d’un gaz partiellement ou totalement ionisé, contenant des ions et des électrons libres. C’est l’état le plus répandu de la matière visible dans l’Univers, notamment dans le Soleil et les autres étoiles. En savoir plus sur le plasma.
Électrode
Élément qui conduit le courant vers l’arc. Elle fond en MIG/MAG et en MMA, mais reste non consommable en fonctionnement normal en TIG.
Métal d’apport
Métal ajouté à l’assemblage pendant le soudage, par exemple sous forme de fil ou de baguette. Sa composition est choisie en fonction des pièces et des propriétés recherchées.
Bain de fusion
Volume de métal liquide formé pendant le soudage, provenant des pièces et, s’il est utilisé, du métal d’apport.
Cordon de soudure
Trace de métal solidifié laissée par une passe de soudage. Plusieurs passes peuvent être nécessaires pour réaliser un assemblage.
Zone affectée thermiquement (ZAT)
Partie du métal de base qui n’a pas fondu, mais dont la structure et les propriétés ont été modifiées par la chaleur du soudage.
Gaz de protection
Gaz qui protège le bain de fusion de l’air environnant. Il peut être inerte, comme l’argon, ou actif, comme un mélange d’argon et de dioxyde de carbone (CO₂).
Laitier
Couche non métallique issue du flux ou de l’enrobage, qui protège le métal déposé dans certains procédés. Elle est retirée après refroidissement et entre les passes si nécessaire.
MMA — soudage à l’électrode enrobée
De l’anglais Manual Metal Arc. Soudage manuel à l’arc avec une baguette consommable dont l’enrobage forme une protection gazeuse et du laitier. Également appelé SMAW.
MIG — Metal Inert Gas
Soudage à l’arc avec un fil-électrode continu et un gaz inerte, généralement de l’argon, de l’hélium ou leur mélange. Couramment utilisé pour l’aluminium et d’autres métaux non ferreux.
MAG — Metal Active Gas
Même principe de fil-électrode continu que le MIG, mais avec un gaz actif, par exemple un mélange argon–CO₂. Très courant pour les aciers. MIG et MAG appartiennent à la famille GMAW.
TIG — Tungsten Inert Gas
Soudage à l’arc sous gaz inerte avec une électrode en tungstène non consommable. Le métal d’apport éventuel est ajouté séparément. Apprécié pour la précision du cordon ; également appelé GTAW.
Pour approfondir les procédés : TWI — le soudage à l’arc, MIG/MAG et les différences entre MIG et TIG.