Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
~7~7~L
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.
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 ton-
nes et ensuite coulées dans des lingotières de 3,5 tonnes de pro-
-- 8 --
~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:
7~
O ~ N
Z O O ~1
O 1` ~)
~` ~
a~ o o o
~ O ~' O O O
O
O O O O O O O
Ct) ') I`
~1 N N
U) O O O O O
~3 ~1 ~D O O O
C) O O ~1 ~ O O O
~ N ~`J 11 ) d' N
O O O o O ,~
U~ o O O ~ O O O
~1
o r~ o co ,~
E~ ~ u~ ~ ~ ~ ~
O O O O O O
~ o O O ~; O O O
o
N `J ,~ U~ ~ I`
N ~1 ~ O O O
ta o o ~ o o o
o
u 1 a) ~ o o o
o o o
r-l 1~ U~
o o o
~> O O O N O o O
o
.,1
o
-- 10 --
~L7~
U~ ~ ~ o o
O C5~ 1
C) V
1~ Q
o ~ ,~
O _
~1 ~O
rl ~l)
(O l~ o ~ h N
I` CO I
o ~~D
O ~ O~ O
~O 03~ ~O r~
~O t`
a
N
~o ~ I ,~
o o ~ o ~
~o r` I h h 01 ~rl
o `aJ
h ~ ,1
O U~
~`J ~ h o o
O o u~
o LO :~
(d U
U~ g
O t~l `O
h ~ g -~
o~ U~ o
N
7~
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
- 12 -
