L'évolution et le futur de l'acier automobile : De l'artisanat ancien à l'ingénierie moderne

Introduction : L'importance de l'acier automobile

Utiliser de l'acier pour fabriquer voitures est une évidence de base pour les personnes modernes. Cependant, nombreuses sont celles dont la compréhension de l'acier automobile s'arrête encore à l'acier faiblement allié. Bien qu'il s'agisse dans les deux cas d'acier, l'acier automobile moderne est bien bien plus meilleur que celui d'autrefois , et la résistance et la corrosion de l'acier ont amélioré beaucoup évolué. Face compteur à l'impact des nouveaux matériaux, de nombreuses entreprises sidérurgiques collaborent activement avec véhicule entreprises pour développer des aciers légers et à haute résistance que cAN concurrencer avec alliage d'aluminium, plastique et composites renforcés de fibres de carbone.

Usine de fusion de fer et d'acier

1. Terme non défini : « Acier à haute résistance »

Sur le marché automobile moderne, de nombreuses marques affirment utiliser de « l'acier à haute résistance », mais ce terme ne possède pas de norme industrielle unifiée. À mesure que la technologie de l'acier progresse, les seuils de résistance associés à cette dénomination évoluent également. La situation est similaire concernant les modèles automobiles commercialisés comme étant des versions « Nouveau », « Totalement nouveau » ou « Génération suivante ». Les services marketing classifient souvent comme « à haute résistance » tout acier dont la limite dépasse 300 MPa, même si les différences de résistance entre les différents types d'aciers regroupés sous cette appellation peuvent atteindre jusqu'à 100 %.

Afin d'éclaircir la question de l'acier utilisé dans l'automobile, il convient d'abord de comprendre son développement historique.

Développement de l'acier en Chine

Du bronze au fer : L'innovation chinoise

L'acier possède une longue histoire remontant aux périodes du Printemps et de l'Automne ainsi qu'aux Royaumes combattants en Chine (environ 770–210 avant J.-C.). À cette époque, le bronze était le métal dominant mais trop fragile pour fabriquer des outils ou des armes durables. Les ingénieurs chinois anciens ont commencé à utiliser le procédé de bas-fourneau pour produire un fer doux en forme de blocs. Bien que les outils en fer aient alors présenté des avantages limités par rapport au bronze, ils ont jeté les bases des percées métallurgiques ultérieures.

Progrès sous la dynastie Han

Durant la dynastie Han (202 avant J.-C.–220 après J.-C.), les fours équipés de soufflets ont permis d'atteindre des températures plus élevées de fusion, et la technique de cémentation a été développée pour contrôler la dureté. Le « procédé de coulée avec agitation » a permis aux métallurgistes de mélanger le fer en fusion dans des convertisseurs et d'ajouter des éléments d'alliage. Associées à des techniques de pliage et de forge pour éliminer les impuretés, ces méthodes ont produit un fer de haute qualité principalement utilisé pour les armes. Des armes de ce type sont souvent découvertes dans les tombes han excavées, indiquant une utilisation répandue.

Maîtrise sous la dynastie Tang

Sous la dynastie Tang (618–907 apr. J.-C.), les forgerons étaient capables de contrôler la teneur en carbone des produits en fer, produisant ainsi des aciers contenant 0,5 à 0,6 % de carbone — la définition moderne de l'acier. Des techniques telles que le sandwichage de lames furent développées afin d'optimiser à la fois la dureté et la résistance.

fer à poignée en jade

Les armes en fer représentées sur l'image sont des épées en fer à poignée en jade provenant de la Chine ancienne. Cela montre que la technologie de fusion était très avancée à cette époque. Les armes en fer étaient largement utilisées. Il existait également différentes sortes, comme les couteaux en fer, les ji, les lances et les flèches. L'fer a totalement remplacé le bronze, et l'humanité est entrée dans l'âge du fer.

couteaux en acier utilisés sous la dynastie Tang y

Durant la dynastie Tang en Chine, les techniques de fusion et de forge n'ont pas évolué évident ment. Toutefois, grâce à l'expérience accumulée, les forgerons parvinrent à maîtriser la teneur en carbone des produits en fer. La teneur en carbone des couteaux emblématiques de l'époque Tang se situait approximativement entre 0,5 % et 0,6 %, ce qui correspond à la plage caractéristique de l'acier.

Dans la sidérurgie actuelle, la maîtrise de la teneur en carbone reste fondamentale. Ajuster celle-ci en fonction de l'utilisation prévue permet d'adapter la ténacité et la dureté de l'acier. Pour obtenir des lames possédant à la fois ces propriétés, les anciens ont développé des techniques comme le forgeage soudé ou l'acier feuilleté. Toutefois, cela dépasse le cadre de cet article.

(La première Révolution industrielle )

La première Révolution industrielle

La première Révolution industrielle mettons la transition vers l'industrialisation de la production de fer. La première poussée de la demande humaine en acier est intervenue pendant la Révolution industrielle. L'invention de la machine à vapeur a libéré l'humanité du travail manuel pénible et de la production tirée par les animaux pour la première fois, et les machines thermiques ont élevé le niveau de productivité humaine à un stade bien supérieur.

Les filatures britanniques dépendaient des moteurs à vapeur et des métiers à tisser en acier

(locomotive à vapeur )

Les locomotives à vapeur représentaient également une grande consommation d'acier, tout comme les voies ferrées associées. En britannique dans les filatures, des groupes de femmes exploitant était cependant par machines en acier bruyantes. À travers le continent européen, des rails en fer ont été posés. Les locomotives à vapeur ont commencé à remplacer le les carrosses tirés par des chevaux comme moyen de transport principal outils. Depuis lors, les humains n'ont plus pu se passer d'acier, et la demande n'a cessé d'augmenter jour après jour.

(La première chaîne d'assemblage de Ford Motor pendant la Seconde Révolution industrielle)

 La Seconde Révolution industrielle a lié l'automobile à l'acier  matériau .

(Xiaomi 's SUV nouvellement lancé : YU7)

Maintenant, certaines voitures hautes performances sont toujours fabriquées par en acier. Durant la Seconde Révolution industrielle, lorsque les automobiles sont apparues, l'industrie sidérurgique a atteint un nouveau niveau. Depuis lors, ces deux secteurs sont étroitement liés. Même si les voitures modernes ne ressemblent plus à la « Mercedes-Benz No. 1 », l'acier est encore largement utilisé dans leur fabrication, y compris dans certains supercars.

Catégories de résistance de l'acier automobile  

Comment l'acier haute résistance est réellement utilisé dans les carrosseries modernes

Dans les véhicules modernes, la carrosserie est construite en soudant des tôles d'acier de résistances différentes . Les ingénieurs choisissent la qualité d'acier appropriée en fonction des niveaux de contrainte que chaque partie de la structure devra supporter. Dans les zones à haute contrainte - où l'utilisation d'acier plus épais n'est pas réalisable - on utilise de l' acier à très haute résistance . Comme on dit couramment, « Utilisez le meilleur acier là où il est le plus nécessaire. »

Tableaux de résistance de la carrosserie : ce qui est indiqué et ce qui ne l'est pas

Bien que de nombreux constructeurs automobiles affirment utiliser de l' acier à haute résistance acier à très haute résistance des diagrammes de structure de la carrosserie , mais la plupart de ces graphiques mettent uniquement en évidence les zones générales où l'acier renforcé est appliqué, sans toutefois préciser les valeurs exactes de résistance à la traction . Les marques bien connues disposant de solides capacités en matière de recherche et développement sont souvent encore plus réticentes à divulguer ce type de données techniques.

Comprendre la terminologie

Au Japon et en Corée du Sud, l'acier à haute résistance est couramment appelé « acier à haute tension » . La résistance de l'acier est généralement mesurée en MPa (mégapascals) . Pour vous donner une idée de l'échelle : 1 MPa correspond à une force de 10 kilogrammes (environ le poids de deux melons) appliquée sur une surface d'à peine 1 centimètre carré, sans provoquer de déformation du matériau.

Application stratégique, pas couverture complète

En analysant les diagrammes de structure du véhicule, il est clair que acier à très haute résistance (par exemple, 1000 MPa ou plus) n'est utilisé que dans des pièces spécifiques telles que les longerons anti-chocs et les zones critiques de renforcement . La majeure partie de la carrosserie est encore fabriquée en acier de faible ou moyenne résistance , qui est plus facile à mettre en forme et plus économique. Ce choix sélectif repose à la fois sur les exigences fonctionnelles et les contraintes de fabrication .

Ne vous laissez pas tromper par les slogans publicitaires

Lorsque vous rencontrez des expressions telles que "La carrosserie de notre véhicule utilise un acier haute résistance de classe 1000 MPa" il est important de les interpréter correctement. Cela ne signifie pas que l'ensemble de la carrosserie est fabriquée à partir d'un tel matériau avancé. Dans la plupart des cas, seules certaines parties localisées — comme les renforts anti-choc des portières — peuvent atteindre ce niveau de résistance. Le reste de la structure de la carrosserie utilise généralement un mélange de matériaux choisis pour leur équilibre entre sécurité, coût et facilité de fabrication.

 3, nouveaux aciers adaptés au poinçonnage

Le poinçonnage est la méthode principale de fabrication des carrosseries.
Pièces de carrosserie restant encore sur le moule après le formage par poinçonnage

L'augmentation de la résistance des matériaux entraîne des problèmes liés à leur usinage difficile. La plupart des véhicules particuliers sont fabriqués par emboutissage, c'est-à-dire en utilisant des matrices pour presser les matériaux et leur donner une forme — un procédé similaire à celui utilisé pour façonner la pâte à modeler Play-Doh. Cependant, avec l'accroissement de la résistance des tôles d'acier automobiles, les exigences relatives au processus d'emboutissage deviennent plus strictes. De plus, de nombreuses pièces nécessitent un emboutissage profond, ce qui rend le matériau sujet à des fissures et des plis. Par exemple, les angles constituent généralement les zones les plus vulnérables durant l'emboutissage, là où se produisent typiquement des déchirures et des plissements. Cela montre également que lors de l'emboutissage des tôles d'acier, des problèmes tels que l'étirement et le frottement contre la matrice existent toujours. Cela peut provoquer des défauts sur les pièces embouties dus aux contraintes internes ou à des dommages superficiels.

(acier structural pour carrosserie automobile)

Répartition de l'amincissement des tôles  

Pour éviter les situations décrites ci-dessus, les fabricants doivent étudier la déformation des tôles pendant le poinçonnage afin d'éviter les déchirures. Cependant, il existe toujours un conflit : plus la résistance de la tôle est élevée .La panneau latéral est la plus grande pièce emboutie du véhicule entier et également est la composante la plus difficile à former. Par conséquent, les fabricants étudient les contraintes internes de la tôle pendant l’emboutissage afin d’éliminer autant que possible les contraintes internes accumulées. Parallèlement, l'étude de l'épaisseur des pièces embouties de grande surface peut révéler quelles parties de la tôle sont fortement étirées et quelle profondeur d’emboutissage peut garantir que la tôle ne se déchire pas.

Le nouveau type d'acier peut résoudre les problèmes d'emboutissage et de mise en forme difficiles causés par la haute résistance du matériau. Afin de résoudre fondamentalement les problèmes d'emboutissage liés à l'acier à haute résistance, ce nouveau type d'acier est appliqué à la production des carrosseries automobiles. La matrice de cet acier est constituée de ferrite possédant une bonne douceur et ténacité, dans laquelle est dispersée de la martensite ayant une bonne dureté. Il est plus facile à former pendant l'emboutissage, et la matière formée présente une résistance considérable.

(Pièces de tôlerie pour montant A d'automobile )

Certains composants structurels à haute résistance thermiquement traités

Pour les positions comme le montant B nécessitant particulièrement un renforcement, certains fabricants utilisent un procédé de traitement thermique. Le montant B formé subit un chauffage suivi d'une trempe afin que la structure cristalline interne de l'acier devienne plus parfaite. Ce processus ressemble à celui utilisé en céramique, où l'on façonne une pièce avec de l'argile puis on la cuit pour la solidifier. Généralement, ces pièces traitées thermiquement présentent souvent une coloration noire.

3.Résistance à la corrosion des aciers automobiles

(Bobines d'acier pour la fabrication automobile )

Les automobiles sont fabriquées à l'aide d'aciers faiblement alliés.

Actuellement, l'acier utilisé dans l'automobile appartient à la catégorie des aciers faiblement alliés, qui est une branche de l'acier. La majeure partie de cet acier est composée d'éléments ferreux, avec seulement une petite quantité d'éléments d'alliage, tels que le carbone, le silicium, le phosphore, le cuivre, le manganèse, le chrome, le nickel, etc. La teneur en ces éléments d'alliage ne dépasse pas 2,5 %.

Les aciers faiblement alliés présentent d'excellentes propriétés de mise en œuvre et une bonne résistance mécanique, tout en offrant une résistance à la corrosion satisfaisante. L'acier ordinaire faiblement carboné forme, dans les environnements naturels, une couche d'oxyde rougeâtre et très lâche communément appelée rouille. En revanche, les aciers faiblement alliés forment une couche d'oxyde brune, dense et adhérente qui agit comme une barrière empêchant l'érosion interne du métal par l'environnement extérieur. Ce mécanisme antirouille est quelque peu similaire à celui des alliages d'aluminium et des alliages de zinc, à la différence près qu'il faut plusieurs années aux aciers faiblement alliés pour développer une couche protectrice stable, dont la couleur évolue progressivement du jaune pâle au brun foncé, alors que les alliages d'aluminium forment presque instantanément une telle couche protectrice.

L'acier corten est souvent utilisé à l'extérieur sur les façades des bâtiments

L'acier résistant à la corrosion développe un effet artistique particulier après la formation d'une couche de rouille, devenant ainsi un matériau de construction très apprécié des designers innovants.

En raison de cette caractéristique, l'acier faiblement allié est également appelé acier corten (acier résistant à la corrosion atmosphérique). L'acier corten est généralement utilisé pour la fabrication de véhicules, navires, ponts, conteneurs, etc., les surfaces étant habituellement peintes. Toutefois, dans le domaine de la décoration architecturale, on préfère utiliser l'acier corten à nu, car il ne présente pas de problèmes de perforation par la rouille lorsqu'il est laissé exposé. De plus, la couche de rouille brune qu'il forme engendre un effet artistique unique, faisant des plaques d'acier corten soudées un choix courant pour les façades de bâtiments spéciaux.

Grâce à l'amélioration des propriétés des aciers, les constructeurs automobiles deviennent de plus en plus négligents en matière de traitements antirouille.

En ce qui concerne les automobiles, de nombreux fabricants utilisent désormais moins de revêtement en caoutchouc sur le châssis, communément appelé « armure de châssis » dans un langage courant. Le châssis de nombreuses voitures neuves expose directement les tôles d'acier, recouvertes uniquement de la sous-couche d'origine et de la peinture de couleur correspondant à l'extérieur. Cela indique que ces véhicules n'ont subi pendant leur fabrication que les processus de sous-couche électrophorétique et de peinture colorée. Seule la zone arrière des roues avant dispose d'une fine couche de revêtement en caoutchouc souple destinée à empêcher les graviers projetés par les roues d'endommager l'acier du châssis. Ces modifications semblent refléter la confiance croissante des fabricants envers la résistance à la corrosion de leurs produits.

(Armure de châssis )

Plaque de protection du châssis Xiaomi SU7

Des entreprises sophistiquées installent des plaques plastiques de protection du châssis.

Sous les plaques de protection, il reste des tôles en acier qui n'ont subi qu'un traitement simplifié. Certains fabricants exigeants installent des plaques de protection en plastique sur le châssis. Ces plaques peuvent non seulement isoler l'acier du châssis des impacts de gravier, mais aussi organiser le flux d'air sous le véhicule. Sous ces plaques de protection en plastique, l'acier du châssis ne possède qu'une couche de primaire.

L'acier automobile n'est pas utilisé au hasard. Les décisions prises par les gestionnaires pour réduire les coûts finissent souvent par sacrifier des avantages majeurs pour des économies mineures, et les techniciens ne peuvent pas outrepasser les directives hiérarchiques.

Il y a une exception à tout, et ces exceptions surviennent souvent en Chine. Il y a quelques années, une marque nationale récemment créée avait utilisé de l'acier faiblement carboné pour la fabrication de véhicules, entraînant une corrosion complète du châssis en deux ans – et de tels cas ont refait surface récemment. Parfois, les décisions prises sur un coup de tête par des dirigeants sont véritablement inquiétantes. Lorsque les hommes d'affaires interfèrent dans les discussions techniques, les résultats sont toujours imprévisibles.

L'avenir des aciers automobiles

Actuellement, l'épaisseur des tôles d'acier utilisées dans l'automobile a été réduite à 0,6 mm, ce qui, selon moi, a atteint la limite d'épaisseur possible pour l'acier. Si la tôle devenait plus fine, même avec une grande résistance, elle perdrait la stabilité structurelle inhérente au matériau. Les tôles en acier automobile font désormais face à des défis croissants de la part des nouveaux matériaux. Le poids atomique du fer détermine que sa densité ne peut pas être modifiée, et la voie de réduction de poids par l'amincissement semble avoir atteint un cul-de-sac. Les alliages d'aluminium sont désormais progressivement utilisés de manière élargie dans les véhicules haut de gamme. Les SUV entièrement en aluminium, ainsi que les séries 5 et A6 utilisant l'aluminium pour leurs structures avant, illustrent toutes cette tendance.