Quel est le matériau le plus utilisé au monde et celui qui est le moins étudié ?

Nous vivons dans un monde d’acier. C’est si courant que nous l’utilisons comme métaphore de la vie quotidienne. Il y a ceux qui ont des nerfs d’acier, et c’est acier pour navires les biceps de tant de jeunes hommes musclés. Ce qui n’est pas une métaphore, c’est que l’acier est partout où nous regardons : dans les contenants alimentaires, dans les bijoux, dans les bâtiments, les réfrigérateurs, les chemins de fer, les routes, implants chirurgicauxles voitures, le caddie, le berceau du bébé, les cordes d’un piano…

L’acier est la deuxième matière première la plus consommée au monde après le pétrole (L’acier représente à lui seul 99 % de la consommation mondiale de métaux !). Et c’est aussi, attention, la matière métallique qui est la plus recyclée : 100 % de l’acier est recyclable et 90 % de l’acier consommé est recyclé. Le minerai de fer, principale matière première pour sa fabrication, est abondant et, de plus, sa manipulation n’est pas dangereuse pour l’homme.

En revanche, nous sommes confrontés à un matériau bon marché à produire qui peut être moulé, forgé, soudé… Il est résistant, facile à fabriquer et léger, si l’on considère sa résistance spécifique (résistance divisée par la densité). Si la Tour Eiffel était reconstruite en acier au lieu du fer, elle serait entre 3 et 4 fois plus légère que l’actuelle.

D’ici cent ans, bon nombre des matériaux et alliages à la mode et les plus étudiés aujourd’hui auront cessé d’être utilisés en raison de leur criticité, de leur caractère insalubre, de leur valeur stratégique ou de leur rareté. Mais l’acier restera essentiel.

Alors pourquoi n’est-ce pas étudié davantage ? Est-ce interdit ?

Personne ne se souvient de l’acier

Si l’on demande à vingt experts de lister dix nouveaux matériaux, ou dix matériaux avancés, il leur est difficile de se souvenir de l’acier. Si l’on regarde les contenus de dix masters sur les nouveaux matériaux ou les matériaux avancés, on ne trouvera pas non plus d’acier au programme. Et pire encore, si l’on examine tout appel à la concurrence pour des projets en science et ingénierie des matériaux, on trouve difficilement la catégorie de l’acier parmi les lignes prioritaires de financement.

Cependant, il n’existe aucun matériau structurel qui nous influence davantage en tant que société en général et en tant que société technologique en particulier. Il n’existe pas de matériau de construction dont dépendent plus que l’acier les technologies dites nouvelles. Et l’acier est également l’un des matériaux qui affecte le plus, de différentes manières, ce qu’on appelle la transition énergétique.

Les bienfaits de la perlite

L’acier est un alliage à base de fer et de carbone, ainsi que d’autres éléments d’alliage. Sa microstructure est régie par une réaction appelée eutectoide ce qui donne naissance, dans la plupart des cas, à un matériau idéal connu par perlite. La perlite pourrait être considérée comme le matériau composite parfait, si ce n’était du fait qu’elle n’est pas vraiment un matériau composite.

La perlite est constituée d’une alternance de feuilles de fer (ductile et mou) et de carbure de fer (cassant et dur), si étroitement unies et dans une relation si parfaite que le résultat est un matériau très résistant avec une ductilité acceptable.

Cette microstructure de l’acier peut être modifiée avec des milliers de traitements thermiques possibles qui offrent des avantages couvrant des milliers de combinaisons possibles entre résistance/dureté et ductilité. En fait, il n’existe aucune autre famille d’alliages aussi polyvalente.

Et pour couronner le tout, tous les processus de fabrication, de mise en forme et de traitements thermiques sont probablement les plus fiables et reproductibles de tous les alliages qui existent.

Le talon d’Achille de l’acier : la génération de CO₂

L’acier primaire est obtenu à partir de la réduction du minerai de fer sous forme d’oxydes dans les hauts fourneaux.

C’est le talon d’Achille de l’acier, car ce processus génère d’énormes quantités de CO₂. C’est lui deuxième procédé industriel, après la fabrication du ciment, capable de générer du CO₂. Et dans un monde enfermé dans la quête du zéro émission, c’est un problème. C’est un problème avec une solution, car l’acier peut être fabriqué sans émettre de CO₂, remplacer le matériau nécessaire à la réduction, le carbone (normalement sous forme de coke), par de l’hydrogène.

Étant donné que nous avons besoin d’acier dans toute production d’énergie dite alternative, il est urgent d’augmenter la R&D dans les procédés de production d’acier primaire, également alternatifs. Et n’oublions pas que l’acier est l’alliage le plus recyclé, donc une grande partie de l’acier consommé est « secondaire », c’est-à-dire qu’il provient du recyclage.

Il n’existe aucun matériau, aucun alliage, que les ingénieurs ou les scientifiques connaissent mieux. Nous connaissons toutes ses intériorités. Tous les outils de simulation (à commencer par la simulation thermodynamique), les outils de conception et de développement ont commencé à utiliser l’acier comme matériau à l’étude. Les traitements thermiques de l’acier sont la référence pour l’étude de tout autre alliage. La science des matériaux est basée sur la métallurgie physique de l’acier. L’un des premiers diagrammes de phases étudiés était le diagramme Fe-Cet c’est sans doute le diagramme le plus utilisé.

Notre société a besoin d’investissements en R&D dans l’acier

Aujourd’hui et dans les décennies à venir, l’acier fait et fera partie de nos vies, et nous avons besoin du meilleur acier possible.

Remettons l’acier en première ligne des investissements en R&D. Que cela nous plaise ou non, nous sommes encore à l’âge du fer, et l’acier peut encore nous surprendre comme il y a 40 siècles, lorsque les armées égyptiennes étaient émerveillées par un nouveau matériau qui les Hittites utilisaient qui coupaient leurs épées et leurs boucliers de bronze comme du beurre et leur donnaient la victoire au combat.