Les aciers utilisés pour les tôles automobiles

acier AHSS

acier AHSS pour tôle automobile.

Les nuances de tôles d’acier utilisées pour l’automobile ne cessent de progresser depuis le choc pétrolier en 1973. Aujourd’hui, les sidérurgistes développent des structures de véhicules en aciers plus légères, plus robustes et plus adaptées aux contraintes environnementales pour répondre aux attentes des constructeurs. Ainsi, plus de la moitié des nuances utilisées par les constructeurs ont moins de 5 ans. Dans ce domaine, les aciers à très hautes résistances adaptés aux pièces de structure s’étoffent en permanence. Plusieurs grades complètent la gamme dans le domaine des résistances à la traction de 800 à 1200 MPa. Ces produits, Dual Phase, Complexe Phases ou martensitiques, laminés à chaud ou laminés à froid, nus ou revêtus, offrent des compromis multiples entre capacités d’allègement et formabilité.

Réduire le poids de la carrosserie

Emboutissage des tôles.
Emboutissage des tôles 6usine de Sochaux PSA.

L’un des objectifs principaux est de réduire considérablement le poids de la carrosserie, facteur essentiel pour améliorer l’autonomie des véhicules à quantité égale d’énergie. Le projet « tout acier » ULSAB « Ultra light Steel Auto Body » achevé en 1999 (auquel 35 sociétés de la sidérurgie de 18 pays du monde participaient) a débouché sur de nouvelles nuances à hautes limites d’élasticité (aciers micro alliés avec Nb, Ti, Al, …), de 750 MPa dans les années 90 (tôles d’épaisseur 1,5 mm) à 1500 MPa aujourd’hui (tôles ultra minces pouvant atteindre 0,2 mm d’épaisseur et à multi épaisseurs de 0,6 mm). Les aciers des véhicules actuels contiennent en moyenne 15 % d’UHSS (Ultra High Strength Steel) et 35 % de HSS (High Strength Steel) et l’objectif est d’arriver à obtenir des aciers atteignant 2000 MPa, autrement dit des « super-alliages ».

L’acier DP (Dual Phase)

Acier dual phase.
Acier dual phase.

La microstructure de l’acier DP (Dual Phase) est constituée d’une phase martensitique (dure) dispersée dans une matrice ferritique (ductile). Cet acier est caractérisé par une tenue à la fatigue et une capacité d’absorption d’énergie qui le prédisposent à des pièces de structure et de carrosserie. On peut citer plusieurs compositions types d’un acier Dual Phase : 0,08 à 0,18 % C ; 1,6 à 2,4 % Mn ; 0,4 % Cr + Mo pour un acier laminé à froid, 0,05 % C ; 1 % Si ; 1,5 % Mn ; 0,6 % Cr ; 0,4 % Mo pour un acier laminé à chaud ou encore 0,14 % C ; 2,10 % Mn ; 0,40 % Si pour un acier laminé à froid. Parmi les aciers DP, les sidérurgistes développent des aciers à très hautes et à ultra hautes limites élastiques (THLE et UHLE). Ils sont disponibles en épaisseurs de 0,5 à 2 mm et en largeurs allant jusquà 1500 mm. Exemple de composition : 0,12 à 0,16 % C ; 0,25 à 0,30 % Si ; 1,66 à 1,90 % Mn ; 0,02 % maxi P ; 0,004 % maxi S ; 0,50 % Cr ; 0,015 à 0,020 % Al.

L’ acier TRIP (Transformation Induced Plasticity)

Microstructure acier TRIP
Microstructure acier TRIP.

La microstructure d’un acier TRIP (Transformation Induced Plasticity) est constituée d’une matrice ferritique (ductile) dans laquelle se trouvent des îlots de phase bainitique (dure) et d’austénite résiduelle. Celle-ci permet d’obtenir des allongements plus importants du fait de la transformation de l’austénite en martensite sous l’effet de la déformation plastique (effet TRIP : « Transformation Induced Plasticity »). Cet effet TRIP confère à l’acier un excellent compromis entre résistance et ductilité. La capacité de consolidation de cet acier est considérable ; lui assurant une bonne aptitude à la répartition des déformations et par conséquent une bonne emboutissabilité.

Cette consolidation conduit également à l’obtention de caractéristiques mécaniques sur pièces, notamment la limite d’élasticité, beaucoup plus élevée que sur le métal à plat. Ce fort potentiel de consolidation et une haute résistance mécanique lui confèrent une excellente capacité d’absorption d’énergie. En outre, l’acier TRIP présente un effet BH (Bake Hardening) prononcé après déformation qui améliore d’autant leur comportement au crash. Il existe des gammes d’aciers TRIP laminés à froid et à chaud. On peut citer deux exemples de compositions d’aciers TRIP :
n°1 : 0,175 à 0,250 % C ; 2,0 % Mn ; 2,0 % maxi Al + Si 
n°2 : 0,08 à 0,23 % C ; 1,0 à 2,0 % Mn ; 1,0 à 2,0 % Si ; 0,03 % Al ; 0,10 à 0,25 % V ; 0,010 % Ti ; 0,015 % S ; 0,10 % P ; 0,004 à 0,012 % N ; + éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi : 0,10 % Nb ; 0,50 % Mo ; 0,30 % Cr.

L’acier CP (Complexe de Phases ou multi phases)

Acier CP
Microstructure acier CP ou dit multi-phase.

L’acier CP (Complexe de Phases) possède une microstructure constituée de petites quantités de martensite, d’austénite et de perlite dans une matrice de ferrite / bainite. Des éléments d’alliage tels que Ti et Nb sont utilisés pour obtenir des précipités dans la matrice. Cela lui confère une résistance ultime très élevée et une forte capacité d’absorption d’énergie. Cet acier fait partie des AHSS (Advanced High Strength Steel) développé dans le cadre de nouvelles directives globales pour les aciers haute résistance avancés. Les compositions chimiques sont diverses et liées au processus de fabrication. On peut citer deux exemples de compositions :
n°1 : 0,12 % C ; 0,10 % Si ; 2,10 % Mn ; 0,025 % P ; 0,010% S ; 0,015 % Al ; 0,09 % Nb ; 0,20 % V ; 0,15 % Ti 
n°2 : 0,10 % C ; 0,60 à 1,40 % Mn ; 0,50 % Si ; 0,025 % P ; 0,025% S ; 0,09 % Nb ; 0,15 % Ti.

L’acier martensitique (MS : Martensitic Steel)

La microstructure de l’acier martensitique (Martensitic Steel) est constituée d’une matrice de martensite contenant de petites quantités de ferrite ou bainite. Faisant partie des aciers multi phases, l’acier martensitique affiche un plus haut niveau de résistance à la traction 1700 MPa). Cette structure obtenue à partir de la phase austénitique par trempe rapide peut également être développée par traitement thermique. L’ajout de C augmente la dureté et renforce la martensite. Les éléments Mn, Si, Cr, Mo, B, V et Ni sont également utilisés pour augmenter les caractéristiques mécaniques. On trouvera ci-dessous deux exemples de compositions d’aciers martensitiques pour l’automobile :
n°1 : 0,10 à 0,30 % C ; 0,20 à 0,35 % Si ; 0,30 à 0,35 % Mn ; 12,3 à 13,7 % Cr ; Mo ; Ni 
n°2 : 0,05 % C ; 0,35 % Si ; 0,40 % Mn ; 16,2 % Cr ; 1,00 % Mo ; Ni.

L’acier à matrice ferritique + bainite (FBS : Ferritic Bainitic Steel)

Microstructure acier FBS
Microstructure acier FBS.

L’acier FBS (Ferritic Bainitic Steel) possède une microstructure constituée d’une matrice de ferrite et de bainite fine. Le renforcement de l’acier est obtenu par un affinage du grain et un durcissement de la phase bainitique. Le principal avantage de cet acier par rapport à un acier Dual Phase est son aptitude à « l’élongation et l’expansion de trou ». De plus son bon comportement au soudage et sa résistance à la fatigue prédisposent également cet acier à des pièces de carrosserie.

L’acier TWIP (Twinning Induced Plasticity)

L’acier TWIP (Twinning Induced Plasticity) possède une microstructure entièrement austénitique qui est due à une forte teneur en Mn (de 16 à 24 %). Sous l’action de contraintes, la matrice devient de plus en plus dure ce qui amène à l’acier une grande résistance à la traction (pouvant aller jusqu’à 1000 MPa). La composition d’un acier TWIP peut être ainsi (brevet Arcelor) :0,85 à 1,05 % C ; 16 à 19 % Mn ; 2 % Si ; 0,05 % Al ; 0,03 % S ; 0,05 % P ; 0,1 % N + éventuellement un ou plusieurs des éléments choisis parmi : 1 % Cr ; 0,4 % Mo ; 1 % Ni ; 5 % Cu ; 0,5 % Ti ; 0,5 % Nb ; 0,5 % V.

L’acier HF (Hot Formed Steel)

L’acier HF (Hot Formed Steel) a une microstructure martensitique obtenue par formage à chaud (850 à 900°C). Cet acier atteint un niveau de résistance à la traction au-dessus de 1500 MPa, avec un allongement de 4 à 8% selon les cas. Deux compositions typiques d’acier HF pour l’automobile :
n°1 : 0,05 % C ; 0,20 % Si ; 2,0 % Mn ; 0,010 % P ; 0,002 % S ; 0,04 % Al 
n°2 : 0,21 % C ; 0,20 % Si ; 1,10 % Mn ; 0,010 % P ; 0,002 % S ; 0,04 % Al ; 0,015 % Nb ; 0,025 % Ti.

L’acier PFHT (Post Forming Heat Treatable)

L’acier PFTH (Post Forming Heat Treatable) est un acier austénitique qui subit un processus de chauffage (850 à 900 °C) suivi d’une trempe (air ou eau) pour obtenir une phase martensitique. Cela donne à l’acier une bonne résistance à la traction allant de 900 à 1000 MPa. En plus du C et du Mn, l’ajout d’éléments d’alliage comme le Cr, Mo, V, B et Ti permet d’atteindre des résistances à la traction de 1400 MPa. De plus, ce type d’acier se comporte bien au soudage et est adapté au revêtement de galvanisation.

La famille d’acier AHSS (Advanced High Strength Steel)

Structure equiaxe d'un acier isotrope
Structure equiaxe d’un acier isotrope.

La famille d’acier AHSS (Advanced High Strenght Steel) comporte plusieurs types d’aciers : Mild Steel, Interstitial Free, Bake Hardening Steel et Isotropic Steel. Les aciers Mild Steel ont une structure essentiellement ferritique. Compositions types : 0,002 à 0,05 % C ; 0,15 à 0,20 % Mn ; 0,01 % P ; 0,01 % S ; 0,003 à 0,005 % N ; 0,04 à 0,05 % Al ; 0,065 % Ti. Ensuite, les aciers Interstitial free (IF) possèdent une structure ferritique avec durcissement de phase par éléments de substitution tels que Mn, Si, P,… L’acier IF a comme composition type : 0,002 à 0,003% C ; 0,01 % Si ; 0,15 à 1,2 % Mn ; 0,01 à 0,05 % P ; 0,01 % S ;0,0025 % N ; 0,04 % Al ; 0,016 % Nb ; 0,0015 % B ; 0,025 à 0,05 % Ti. Enfin, les aciers Bake Hardening steel (BH) sont des aciers ferritiques calmés à l’aluminium ou à basse teneur en C, avec des éléments d’alliage en phase interstitielle (C, N). Ils ont pour compositions types : 0,003 % C ; 0,01 % Si ; 0,5 à 1,0 % Mn ; 0,03 à 0,05 % P ; 0,01 % S ; 0,0025 %N ; 0,05 % Al ; 0,005 % Ti ; 0,007 % Nb. Les Isotropic steel (IS) sont des aciers ferritiques calmés à l’aluminium, à structure équiaxe contrôlée.

Les aciers High Strength Low Alloy steel (HSLA)

Procédé de durcissement
Procédés de durcissement de la matrice métallique acier tôle automobile.

Les aciers HSLA sont des aciers ferritiques à dispersoïdes micro alliés. Le durcissement est obtenu par précipitations fines et réparties de carbonitrures de Ti ou Nb. Compositions types : 0,05 à 0,10 % C ; 0,25 à 1,20 % Mn ; 0,01 à 0,05 % Nb ; 0,01 à 0,4 % Si ; 0,05 à 0,10 % Ti et/ou V. Pour atteindre les caractéristiques mécaniques souhaitées, les constructeurs utilisent divers procédés de durcissement de la matrice métallique.

Autres familles d’alliages utilises dans l’automobile

D’autres aciers sont aussi utilisés dans l’automobile : des alliages réfractaires pour l’automobile (colliers de serrage, …) de type 52 % Ni ; 19 % Cr ; 0,8 % Ti ; 3 % Mo ; 0,5 % Al ; 5,25 % Nb ; reste en Fe. Mais encore des alliages austénitiques durcissant par écrouissage + durcissement secondaire à 500°C, pouvant atteindre une résistance à la traction de 2500 MPa sur bandes laminées à froid: 40 % Co ; 20 % Cr ; 16 % Ni ; 7 % Mo ; reste en Fe. Enfin des alliages pour blindages emboutis pour instrumentation automobile : 36 % Ni ; 0,40 % Si ; 0,35 % Mn ; 0,01 % C ; reste en Fe.

Comparaison des différents aciers

Comparaison des aciers.
Comparaison des différents acier automobile.

Les aciers automobiles peuvent être classés de différentes façons : par leur dénomination (voir les différentes familles d’aciers abordées précédemment) ; par leur capacité de résistance mécanique (Rm, A %, module de Young,…), ou en fonction de certaines propriétés mécaniques ou paramètres, tels que l’allongement total, l’écrouissage exposant n ou taux de foisonnement de trou. Par exemple, la figure ci-dessus montre la comparaison entre les différents acirs. Les aciers de résistance inférieure apparaissent en gris foncé et les aciers HSS traditionnels en gris clair. Les aciers UHSS (en couleur) mettent en évidence des résistances plus élevée

Les nouveaux aciers

En réponse aux demandes des constructeurs automobiles, la recherche de l’industrie sidérurgique continue donc de développer de nouveaux types d’aciers. Ces aciers sont conçus pour réduire la densité, améliorer la résistance et/ou augmenter l’allongement. Par exemple, les aciers Nano sont conçus pour éviter les valeurs faibles du tronçon de bord (élongation locale) rencontrés avec les aciers dual phase. Au lieu des îlots de martensite, la matrice ferritique de ces aciers est renforcée avec des particules ultrafines (nano-taille < 10 nm). Ceci est accompli en aciers laminés à chaud avec une résistance à la traction de l’ordre de 750 MPa. Ces aciers ont une limite élastique élevée avec un excellent équilibre d’allongement total et d’élongation locale (taux de foisonnement de trou). Un acier Nano a ainsi par exemple une composition 0,11 % C ; 1,0 % Mn ; 0,025 % P ; 0,025 % S ; 0,50 % Si ; 0,015 % Al ; 0,15 % Ti ; à 0,09 % Nb.

D’autres exemples d’aciers en développement sont les aciers à structures à grains ultrafins, comportant une faible densité et un module de Young élevé. Ils font partie des aciers AHSS. Un acier à structure ultrafine a pour composition 0,16 % C ; 0,40 Si ; 2,0 % Mn ; 0,018 % P ; 0,005 % S ; 1,0 % Al ; 0,60 % maxi Cr ; 1,0 % maxi Cr+Mo ; 0,01 % Nb ; 0,10 % Ti ; 0,15 % maxi Nb+Ti ; 0,20 % Cu ; 0,01 % V ; 0,005 %.

Parallèlement à l’augmentation des caractéristiques mécaniques des aciers, l’épaisseur des tôles à diminuée passant ainsi de 1,5 mm à 0,6 mm. Des tôles ultraminces atteignent même 0,2 mm (dont un revêtement de zinc de 7 µm). Idéalement, dans l’avenir, la composition des nouveaux aciers doit mener à quintupler leur résistance, laquelle sera testée dans des simulations de crash.

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