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M. Fall et al / J. Sci.Vol. 10 , N° 1 (2010) 13 – 22 - 13 -

CARACTERISATION QUALITATIVE DES ACIERS DOUX PRODUITS PAR L’INDUSTRIE

SIDERURGIQUE SENEGALAISE

Mathioro FALL1, Issa DIAGNE

2, Fadel NIANG

1*, Youssouf MANDIANG

3,

Salif GAYE4, Gregoire SISSOKO

2

1 UFR des Sciences et Technologies – Université de Thiès – BP 967 – Thiès – Sénégal

2 Département de Physique, Faculté des Sciences et Techniques – Université CAD de Dakar - Sénégal

3

Ecole Supérieure Polytechnique – Université Cheikh Anta Diop de Dakar – BP 5580 – Dakar – Sénégal4 Institut Universitaire de Technologie – Université de Thiès – BP 967 – Thiès – Sénégal

Abstract:

The main objective of this present paper is to study and

compare various types of metal rods produced in Senegal, in

order to estimate the quality level of these products at the end

of the manufacturing process by rolling. This comparative

analysis is based on the study of the mechanical and

microstructural properties of the various samples

The obtained results show that the senegalese ferrous alloys donot completely respect the performance criteria recommended

in the building industry (NF A 35-016). Indeed, the elastic limit,

the yield elongation as well as the geometrical tolerances

remain lower than the recommended values

In the conclusions, interesting prospect are proposed which

should allow an optimal use of low carbon steels in the

Senegalese building sector.

Résumé:

Cette présente communication a pour objet d’étudier

comparativement différents types d’armatures métalliques

produites au Sénégal, en vue d’évaluer le niveau de qualité de

ces produits à la sortie des entreprises de fabrication par le

procédé d’étirage. Cette analyse comparative est basée sur

l’étude des propriétés mécaniques et microstructurales des

différents échantillons.

Les résultats obtenus montrent que les alliages ferreux au

Sénégal ne respectent pas entièrement les critères de

performance préconisés dans le secteur du bâtiment (norme NF

A 35-016). En effet, la limite d’élasticité, l’allongement à la

rupture ainsi que les tolérances géométriques restent inférieurs

aux valeurs recommandées.

Dans les conclusions des perspectives intéressantes sont

proposées et elles devraient permettre une utilisation optimale

des aciers faiblement alliés dans le secteur du bâtiment au

Sénégal.

Keywords: materials, steel, concrete, mechanical process,microstructure, micro-hardness

Mots clés: matériaux, aciers, béton, procédés mécaniques,microstructure, microdureté

I. INTRODUCTION

Le secteur du Bâtiment et Travaux Publics (BTP) au Sénégal est en pleine mutation et a connu un véritable

boom ces dernières années, malgré la crise financière. Cette dynamique de croissance s’est malheureusement

accompagnée d’une série de sinistres et d’effondrements d’immeubles (figure 1).

Il a été établi que les responsabilités de ces sinistres incombent à toute la chaîne de prestataires évoluant dans

le secteur. Ainsi, les réalisateurs se voient reprochés le non- respect des normes de qualité, ainsi que la non

fiabilité des ouvrages. Chez les fournisseurs, la livraison des matériaux bas de gamme, la pratique de prix

élevés, et le non respect des engagements sont le plus souvent soulignés. Pour les clients, il est noté un

* Auteur correspondant : [email protected]





"comportement informel" vis-à-vis des autres opérateurs de la construction, favorisant les non professionnels,

une pratique aveugle du moins disant, le non-respect des engagements financiers, l'immixtion dans la

conception et la réalisation des ouvrages, les préjugés négatifs sur les prestations et sur les entrepreneurs.

Dans ce contexte, nos recherches ont porté sur l’étude de la qualité des armatures métalliques (fers à béton)

utilisées dans la construction des ouvrages en béton armé. Ces armatures en acier sont utilisées pour

améliorer la résistance à la traction du béton.

Figure 1 : Effondrement d’un immeuble à Dakar

D’une manière générale, les armatures sont obtenues grâce à une transformation à chaud ou à froid des

billettes d’aciers obtenues par fusion à 1600 °C. Au Sénégal, le procédé usuel est l’étirage à froid des fils

machines. Par définition, l’étirage est un procédé de transformation consistant à faire passer le métal à travers

un orifice calibré appelé filière sous l’action d’une traction continue. Le fil machine est le demi produit obtenu

par laminage à chaud des billettes produites par coulée continue. Cependant, cette opération modifie

certaines propriétés du matériau de départ notamment sa microstructure et par conséquent ses propriétésmécaniques.

Or, pour satisfaire les besoins en dimensionnement des structures en béton armé, les armatures doivent

répondre à certaines caractéristiques. Ainsi, les armatures ne sont pas choisies, ni disposées n’importe

comment mais il existe des règles qui imposent des sections de fers, des qualités d’aciers précises et des

formes spécifiques précises selon le type d’ouvrage à réaliser.

La qualité des armatures produites par étirage, dépend essentiellement du fil machine, de la filière et du

lubrifiant.

Cet article présente l’étude comparative des propriétés mécaniques, géométriques et microstructurales des

différents types d’armatures en acier doux produites par étirage au Sénégal, en vue de recommander des

techniques d’amélioration avant et après le procédé de fabrication pour respecter les directives de la normeNF A 35-016.

II. METHODOLOGIE

Dans ce travail, nous avons choisi d’étudier des fers à béton de diamètre nominal égal à 10 mm,

correspondant à la production principale des trois entreprises sénégalaises concernées par cette recherche.

Ces entreprises sont : Métal Afrique (MA), Neel Steel (NS) et la Société Industrielle de Bois et d’Acier (SIBA).

Les propriétés mécaniques ont été obtenues grâce à un appareil de traction. Les essais de traction ont été

menés suivant les spécifications de la norme NF A-03-151. Ces essais ont été faits sur des éprouvettes de

longueur utile égale à 129 + /- 1 mm. Une machine de traction hydraulique de marque Dartec (figure 2a), de

capacité maximale de 320 KN avec un déplacement maximum de 250 mm a servi à faire les tests. La machine

est munie d’un système de pilotage Dartec 9600 sous contrôle d’un logiciel d’acquisition et de traitement de

données workshop 96. Les mesures ont été réalisées à pleine échelle (300 KN) et à vitesse constante (0,1

mm/s).





Figure 2 : Machine de traction (a) et MEB (b) utilisés pour les essais de caractérisation

La limité d’élasticité Re et la résistance à la traction (calculées à partir du diamètre initial mesuré, mais

également avec le diamètre nominal) ont été déterminées. De même, les allongements à la rupture ont été

mesurés sur chaque échantillon

Les microstructures ainsi que les compositions chimiques ont été analysées respectivement à l’aide d’un

microscope optique macrographique et d’une analyse EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) avec un

microscope électronique à balayage (figure 2b). Le microscope optique de marque OLYMPUS PMG3 connecté

à un ordinateur équipé d’un logiciel d’analyse d’image Visilog, est utilisé pour faire l’observation des

échantillons.

L’analyse EDS avec le microscope électronique à balayage, de marque XL30 ESEM, a permis d’identifier les

différents éléments d’alliages présents dans les échantillons ainsi que leurs proportions massiques et

atomiques. Le principe consiste à bombarder la surface de l’échantillon avec un faisceau d’électrons très fin

qui permet de balayer point par point la surface de l’échantillon. Suivant le type de détecteur, on recueille des

électrons secondaires ou rétrodiffusés en chaque point de contact. Les électrons rétrodiffusés pénètrent dans

l’échantillon avant de revenir vers la surface. Le contraste de l’image est dû essentiellement à la composition

chimique. La composition chimique des échantillons est obtenue en faisant la moyenne des analyses générales

faites à cœur et au bord de chaque échantillon. Des analyses locales ont permis d’identifier les différents

précipités présents.

Les mesures de dureté Vickers (Hv) ont été faites selon les spécifications de la norme EN ISO 6507. La mesure

de la dureté en pratique correspond à celle de la résistance à la pénétration locale du matériau considéré.

L’essai de micro dureté est un essai simple, rapide et non destructif qui permet d’évaluer l’écrouissage, l’effet

de traitement thermique de surface et la cinétique de diffusion. Les mesures ont été effectuées avec un

microduromètre de marque Buehler Micromet séries 5100, à cœur et au bord, sur chacune des coupes des

différents échantillons avec une force de 100 gf. Grâce au logiciel Omnimet, la mesure de la diagonale de

l’empreinte donne directement la valeur de la dureté. Pour les mesures de dureté et les analyses EDS, des coupes transversales sont effectuées à l’aide d’une

tronçonneuse sur les échantillons bruts. Par contre les observations microstructurales sont faites sur des

échantillons obtenus par des coupes longitudinales à l’aide d’une scie à fil. Les coupes longitudinales sont

ensuite enrobés à chaud avec une presse à enrober (MECAPRESS C- PRESI) dans de la résine acrylique au

cuivre, conductrice.

Enfin des tests de pliage ont permis de déterminer l’aptitude au pliage-dépliage des armatures. Après pliage et

dépliage, l’armature ne doit pas se fissurer ou à plus forte raison se casser. Les échantillons sont pliés à un

angle de 180° sur un mandrin de diamètre égal à 2,5 Dn (diamètre de l’armature) puis dépliés. La machine de

pliage, représentée par la figure 3, a servi à faire les tests.





Figure 3 : Machine de pliage des fers à béton

III. RESULTATS

Les résultats de composition chimique des échantillons d’acier doux, de micrographies, de mesures de dureté

et de mesures de fissuration sont présentés dans les paragraphes suivants.

III.1 Composition chimique

Le tableau 1 résume les différents éléments chimiques retrouvés dans nos éprouvettes et leurs différentes

proportions en pourcentage massique, obtenus par analyse EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy).

Les analyses EDS nous ont permis de déterminer les éléments chimiques présents dans les différents

échantillons. Nous devons toutefois signaler que les analyses EDS ne constituent pas la technique la plus

précise pour mesurer la composition chimique d’échantillons métalliques. En réalité la technique la plus

appropriée, que nous n’avions pas à notre disposition, est la spectrométrie d’émission optique à source

étincelle. Cette technique est spécialement conçue pour l’identification et le dosage des éléments présents

dans des échantillons solides et conducteurs.

Tableau 1: Composition chimique des différents échantillons

Eléments C Mn Si P S Cr Fe Cu

Types d'échant. % mass % mass % mass % mass % mass % mass % mass % mass

MA 0,24 0,61 0,12 0,14 0,00 0,09 98,79 0,00

SIBA 0,24 0,50 0,00 0 0 0 98,65 0,61

Neel Steel 0,24 0,53 0,00 0 0 0 98,90 0,34

NF EN 10080 <0,24 / / <0,055 <0,055 / / <0,085

Par la suite notre analyse s’est portée sur la microstructure et les différents précipités qui ont une influence

directe sur les propriétés mécaniques.

III.2 Microstructure

La figure 4 présente les microstructures obtenues par observation au microscope optique (MO), au bord et à

cœur des coupes longitudinales des échantillons sénégalais de diamètre 10 mm. Sur ces figures sont

également reportées les duretés mesurées à cœur et au bord de chaque échantillon.

Les observations montrent que les échantillons sénégalais sont constitués d’une seule phase ferrito-perlitique.

On constate également sur les micrographies un allongement et une orientation des grains dans le sens du

l’étirage.

D’autres observations locales montrent également deux types de précipités à savoir les sulfures de manganèse

et les silicates. Les sulfures de manganèse ont une forme allongée tandis que les silicates ont une forme

légèrement arrondie de couleurs respectivement claire et sombre en fond clair comme illustré sur la figure 5.

Ces précipités se retrouvent le plus souvent au niveau des bords des échantillons comme indiqué dans la

bibliographie[1]

.





Figure 4 : Micrographies bord/cœur des échantillons sénégalais de diamètres 10 mm

Pour les sulfures de manganèse leur malléabilité constitue un atout majeur pour la ductilité du fer à béton

tandis que les silicates, qu’on retrouve en grande quantité, ont un caractère fragilisant.

Figure 5 :

III.3 Microdureté

Les résultats des essais de dureté sur les coupes transversales des différents échantillons sont présentés dans

le tableau 2 et illustrés par la figure 6.

Bord 209 Hv Métal Afrique 207 Hv Cœur

Bord 231 Hv Neel Steel 206 Hv Cœur

Bord 260 Hv SIBA 188Hv Cœur





L’examen global du tableau montre que la dureté varie entre 188 Hv à 260 Hv pour l’ensemble des

échantillons testés. Nous constatons aussi que la dureté mesurée au bord des éprouvettes est toujours

supérieure à celle obtenue à cœur.

Cette différence de dureté est fortement liée aux procédés de fabrication des armatures à béton. Ce constatse justifie également par la différence de microstructures observée précédemment entre les bords et les

coeurs.

Tableau 2: Dureté bord/cœur des armatures Ø 10 à béton

Dureté (Hv) Cœur Bord Ecart

Métal Afrique 207 209 2

Neel Steel 206 231 25

SIBA 188 260 72

Figure 6 : Différence de dureté cœur/bord des échantillons de diamètres 10 mm

III.4 Resistances mécaniquesLe but de cet essai est de déterminer les caractéristiques mécaniques ci dessous :

La limite d’élasticité Re (MPa) : contrainte à partir de laquelle apparaît la déformation plastique irréversible.La limite d’élasticité apparente Re est égale à la limite conventionnelle Rp0,2 à 0,2% de déformation dans la

courbe avec palier.

La résistance à la traction Rm (MPa) : charge maximum appliquée divisée par la section initiale (nominale)

L’allongement à la rupture A (%) : déformation nominale après la rupture

Les courbes des échantillons testés se présentent sous l’allure caractéristique de la figure 7.

Figure 7 : Courbe de traction avec palier, pour l’échantillon de Métal Afrique

L’exploitation de l’ensemble des courbes de traction a permis de dresser le tableau 3 regroupant la limite

d’élasticité, la résistance à la traction et l’allongement à la rupture.





Tableau 3: Caractéristiques mécaniques des armatures

Propriétésmécaniques

Re (MPa)

Rm (MPa)

A (%)

Métal Afrique 362 555 9,8

Neel Steel 385 405 6,2

SIBA 400 446 10,6

III.5 Fissuration par pliage

Les micrographies des zones fissurées ainsi que les mesures des profondeurs de fissuration sont présentées

sur la figure 8. L’analyse des résultats des essais de pliage et des observations micrographiques montre que :

toutes les fissures sont localisées au niveau des nervures ou des empreintes de l’armature.

Il faut noter que cet essai de pliage sur l’échantillon de Métal Afrique vient confirmer les résultats de tractionnotamment son faible allongement à la rupture comparé à la norme NF A 35-016 et le décollement observé

sur le faciès de rupture. La présence de beaucoup de précipités sur cet échantillon et le fort écrouissage de la

surface de ce dernier, entraînant sa fragilisation, expliquent les fissures observées.

Fissure après pliage Fissure après dépliage

Figure 8: Micrographies des fissures de MA et leurs profondeurs lors de l’essai de pliage - dépliage

Il faut noter que cet essai de pliage sur l’échantillon de Métal Afrique vient confirmer les résultats de traction

notamment son faible allongement à la rupture comparé à la norme A 35-016 et le décollement observé sur le

faciès de rupture. La présence de beaucoup de précipités sur cet échantillon et le fort écrouissage de lasurface de ce dernier, entraînant sa fragilisation, expliquent les fissures observées.

IV. DISCUSSIONS

L’examen des résultats obtenus avec les armatures de diamètres 10 mm du tableau 3 montre que :

le MA, le Neel Steel et le SIBA ont une limite d’élasticité nominale inférieure à celle fixée au minimum à 410

MPa par la norme NF A 35-016

tous les échantillons ont des allongements à la rupture inférieurs à la norme (14 %)

L’échantillon de Neel Steel a le plus petit allongement à la rupture égal à 6,2 % tandis que la plus petite

limite d’élasticité (362 MPa) est observée pour l’échantillon de Métal Afrique.





Considérons l’échantillon de SIBA, les micrographies observées au bord et à cœur montrent que les grains sont

plus petits au bord. Ce qui peut expliquer la différence de dureté observée (effet Hall-Petch) [2]

d’une part.

D’autre part lors de l’étirage, le bord subit une grande déformation car étant en contact direct avec la filière.

Donc le bord s’écrouit et par conséquent sa dureté augmente [3]. L’écrasement et l’allongement des grainspour le Neel Steel justifient la dif férence de dureté constatée pour cet échantillon. L’échantillon de Métal

Afrique à pratiquement la même dureté aussi bien à cœur qu’au bord, néanmoins il présente des duretés

assez élevées dans certaines zones (fibrage) comme indiqué dans la figure 9.

La f aible limite d’élasticité de l’échantillon de Métal Afrique permet d’obtenir le plus faible indice de plasticité

(Re/Rm) des trois fabricants, pour le diamètre de 10 mm. Ce faible indice se traduit dans la pratique par une

bonne malléabilité lors de l’opération de mise en forme. L’écrouissage, qui a atteint tout l’échantillon, lui

confère une dureté presque identique du cœur au bord. Cependant il augmente la résistance à la traction et

diminue la ductilité de l’armature[4]

d’où son faible allongement à la rupture de 9,8 % comparé aux 14 % de la

norme NF A 35-016.

Après les essais de traction, les faciès de rupture ont été observés et analysés au MEB. Les micrographies

montrent deux types de ruptures : une rupture fragile et une rupture ductile. La figure 10 montre le faciès derupture d’un échantillon témoin après l’essai de traction. L’observation des clichés permet de voir la zone de

rupture fragile par clivage, caractérisées par un faciès granuleux. Cette première zone jouxte une zone de

rupture ductile caractérisée par un faciès fibreux et cupuleux

Figure 9 : zone de fibrage dans l’échantillon de Métal Afrique

Témoin 1 : transition Cœur /Bord Témoin 2 : transition Bord/Cœur

Figure 10 : Zone de transition de rupture ductile-fragile

L’échantillon de Métal Afrique présente ce même caractère de rupture ductile-fragile mais présente

également des décollements au bord comme le montre la figure 11a. Ces décollements qui surviennent au

niveau du bord sont liés à la présence de précipités (surtout les silicates) dans cette zone.





Figure 11 : Décollement au bord (a) et faciès de rupture (b) d’un échantillon de MA

L’analyse de ces faciès de rupture montre des précipités dans les zones de rupture (figure 11b). L’analyse

confirme que ce sont les mêmes précipités que précédemment : les silicates et les sulfures de manganèse

V. CONCLUSION

Au Sénégal particulièrement à Dakar, le secteur de la construction a connu une très grande évolution durant

ces dernières années. Face à cette mutation, ce secteur connaît aujourd’hui de nombreuses difficultés. On

assiste à des effondrements répétitifs et des incendies d’immeuble occasionnant des nombreux dégâts

humains et matériels. Les causes sont multiples. Soit les matériaux utilisés ne sont pas adéquats, soit les

normes ne sont pas respectées ou alors il y’a un manque de professionnalisme des acteurs i ntervenant dans

ce secteur. Tout ceci est essentiellement dû à un manque de contrôle des instances compétentes dans ce

secteur extrêmement sensible[5,6,7,8]

Cette étude a permis de faire l’état des lieux sur la qualité des armatures produites par étirage, ce procédé

étant celui qui est le plus utilisé au Sénégal.Notre approche est basée sur la caractérisation mécanique et microstructurale des produits fabriqués

localement. Elle a permis:

d’obtenir un grand nombre de données expérimentales permettant de faire une analyse comparative des

propriétés des différents échantillons.

d’interpréter ces résultats expérimentaux, en se basant sur les études bibliographiques, pour aboutir à des

recommandations visant l’amélioration de la qualité des armatures produites par étirage.

Pour une bonne maîtrise de l’opération de fabrication par étirage, trois éléments sont fondamentaux :

le fil machine : c’est le matériau de départ. Une bonne ductilité, un faible nombre de défauts internes

(incrustations, rayures, repliures), un bon état de surface et un faible taux de calamine sont les propriétés

recherchées du fil machine.

la filière : elle assure la réduction de section et confère au produit étiré sa forme finale. Elle mérite un

contrôle particulier, car face à de fortes pressions et à des températures élevées, des défauts peuvent être

constatés en son sein notamment son usure ou son ovalisation.

le lubrifiant : il diminue les frottements à l’interface entre le fil machine et la filière. Le lubrifiant doit avoir

une bonne stabilité à des températures élevées et une bonne continuité au contact entre le produit et

l’outil.

L’étude des propriétés mécaniques et géométriques révèle qu’aucun des trois échantillons sénégalais ne

respecte la norme NF A 35-016 dans sa globalité. Les valeurs mesurées sont généralement inférieures à celles

prescrites par cette présente norme. Nous pouvons citer l’éprouvette de Neel Steel qui a un allongement à la

rupture de 6,2 % (au lieu de 14%), une tolérance géométrique sur le diamètre de -32% (au lieu de ±10%) et

une limite d’élasticité de 385 MPa (au lieu de 410 MPa).





VI. PERSPECTIVES

Au terme de ce travail, deux perspectives d’études peuvent être dégagées :

une étude approfondie du traitement thermique des armatures métalliques ainsi que son incidence sur lerapport qualité/prix des armatures traitées par rapport aux armatures importées.

une étude approfondie de l’incidence d’un revêtement plastique des armatures, tant du point de vue de la

résistance à la corrosion que du point de vue de l’adhérence Métal/Plastique et Plastique/Béton

Ainsi, une fois ces études complémentaires faites, une proposition de normes concernant les propriétés

mécaniques et physico-chimiques des produits métalliques fabriqués au niveau national, pourra être

présentée à l’Association Sénégalaise de Normalisation.

Ces normes une fois appliquées permettront de réduire les risques encourus quotidiennement par les

populations Sénégalaises, à l’image des catastrophes de plus en plus observées lors des effondrements

d’immeubles consécutifs à des malfaçons ou à des défauts dans les matériaux de construction.

REMERCIEMENTS

Les auteurs remercient les sociétés de fabrication de fers à béton au Sénégal pour avoir accepté de nous

fournir les échantillons analysés. Ils remercient également l’université de Thiès ainsi que le Service de

Coopération et d’Action Culturelle (SCAC) de l’ambassade de France au Sénégal, pour les financements

alloués. Enfin les remerciements vont au Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) de l’Ecole

Nationale Supérieure des Mines de Paris (Mines ParisTech) pour nous avoir permis de procéder aux essais de

caractérisation.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] JACOMET S., Préparation métallographique, ENSMP, 2002

[2] Boumerzoug Z., Lehraki N., ZIDANI M. : Morphologie des grains d’un fil d’acier doux tréfilé à froid àl’entreprise TREFISOUD d’El-Eulma, Courrier du savoir ; N° 06, Juin 2005, pp.71 -73

*3+ THOMAS B., SCHMITT J. H., Durcissement des aciers: Mécanismes, Techniques de l’Ingénieur, M4 340

[4] MURRY G. ; Aciers : Généralités ; Techniques de l’ingénieur, M 300

[5] GAYE S., NIANG F., CISSE I. K., ADJ M., MENGUY G., SISSOKO G.: Caractérisation des Propriétés Thermiques

et Mécaniques du Béton de Polymère Recyclé; Journal des Sciences, Vol. 1, n° 1 (février 2001), pp. 53 – 66

[6] NIANG F.: Analytical Modeling of the Mechanical Properties of Recycled Plastics; Journal des Sciences Pour

l’Ingénieur, Vol. 3, n° 1 (janvier 2003), pp. 31 – 39

[7] NIANG F.: Mechanical Properties of Recycled Thermoplastics; Journal of Modelling, Design and

Management of Engineering Systems, Vol. 3, n° 1 (2005), pp. 01 – 13

[8] NDIAYE M. B., thèse : Le recyclage de métaux d’origine industrielle au Sénégal ; Ecole Centrale de Lyon et

Ecole Supérieure Polytechnique de Thiès, Novembre 2006

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