METALLURGIE DES ACIERS
INOXYDABLES
1. Introduction
• Source principale de matière première
récupération de métal mis au rebut
• Les industries de ce domaine dépendent du recyclage :
l’acier est fondu par un procédé électrique puis raffiné
Plus de 90% de la production d’acier inoxydable provient
du recyclage de rebuts
1. Introduction
•Acier inoxydable = alliage résistant à la corrosion
Durée de vie longue
Un ratio qualité / prix intéressant
• Aucun risque pour la santé détectée
Ni et Cr sous constante évaluation
Dégradations chimiques
Piqûres de corrosion sur un couteau en acier inoxydable (12%Cr)
Coupe
métallographique
de piqûres
Inoxydable mais pas inaltérable
2. Historique
Chrome : découvert en 1797 ( Vauquelin) et isolé en 1854
(Bunsen)
Période d’ insuccès liée :
• alliages trop riches en C et trop pauvres en Cr résistance à
la corrosion trop faible et manque de déformabilité
• critères d’évaluation erronés : résistance à l’acide sulfurique
2. Historique
•Véritable découverte des aciers inox
1900 – 1915 ( Guillet, Portevin et Giesen)
• Initiateur des compositions et des traitements d’acier inox à
propriétés spéciales
Chevenard
P. Chevenard
3. Qu’est ce qu’un acier inoxydable ?
Les aciers inoxydables sont des aciers alliés
• avec un chrome supérieur ou égal à 10,5%
• et un carbone inférieur ou égal à 1,2%
(Norme européenne EN 10088-1)
Ils peuvent comporter d’autres éléments d’alliage, principalement :
Nickel, Manganèse, Silicium, Molybdène, Titane, Niobium, Azote, Soufre …
3.1. Évolution de la structure
Les aciers sont des alliages à base de Fer
Structure ferritique : CC Structure austénitique : CFC
Evolution de la structure du Fer avec la température
3.2. Effet du chrome
Indispensable pour donner aux aciers inoxydables une certaine
résistance à l’oxydation
Le nickel requis en milieu réducteur et améliore la mise en
oeuvre
Teneur en chrome critique : 11 à 12 %
Existence en surface d’une couche moléculaire protectrice de Cr2O3 (50 A)
Effet du chrome
Amélioration de la tenue à la corrosion
Influence de la teneur en chrome sur la résistance à l’oxydation
Valeur critique
Effet du chrome
ATTENTION
Si cette couche passive est rompue soit mécaniquement soit
chimiquement, l’acier perd de ses propriétés d’inoxydabilité
Exemple de corrosion de tube inox
On ne dépassera pas la teneur de 20% en chrome
( réduction de la ductilité)
3.3. Influence des éléments d’alliage
Le chrome CFC élargie la phase alpha : c’est un élément alpha gène
• % Cr < 13% possibilité d’être totalement ou partiellement austénisé
• %Cr > 13% alliage ferritique ( possibilité d’une phase sigma)
Diagramme Fer-Chrome
Influence des éléments d’alliage
%Cr > 13% alliage ferritique à toute température
Ne peuvent pas subir de trempe martensitique
phase sigma : phase intermédiaire dure et fragile
Diagramme Fer-Chrome
Influence des éléments d’alliage
Vue détaillée de la
boucle gamma
•Pour % Cr < 10,5% on passe de α à γ au chauffage et au refroidissement
•Pour % 10,5 % < Cr < 11,5% on a coexistence α et γ
•Pour % Cr > 11,5 % on reste γ
Le nickel est gamma gène
Le nickel augmente la capacité de trempe en abaissant la vitesse
critique de refroidissement
Rôle des différents éléments d’addition
Rôle des différents éléments d’addition
Influence de la teneur en éléments d’addition sur la résistance mécanique
l’ajout d’azote peut améliorer de façon notable la résistance mécanique des
aciers inox
Résistance
Mécanique
Mpa
Diagrammes qui donnent en fonction d’un nickel et
chrome équivalent la structure de l’acier
Exemple : diagramme empirique de Pryce et Andrews
à 1150°C (température de laminage)
Cr eq = %Cr+ 3%Si+%Mo
Nieq = %Ni+0,5%Mn+21%C+11,5%N
4. Les différentes familles d’aciers inoxydables
5 grandes classes
• Aciers ferritiques
• Aciers austénitiques
• Aciers Martensitiques
• Aciers austéno-férritiques
• Aciers inoxydables à durcissement structural
Aciers ferritiques
de structure identique à celle du fer
cubique centré : conserve cette structure à toute température)
Attention aux risques de
fragilisation due à l’utilisation de
ces nuances dans certains
domaines de température)
Composition des aciers ferritiques
Chrome 11 à 29%
Carbone < 0,1 %
Molybdène 0 à 2 %
Additions Ti, V
Le traitement thermique des aciers inoxydables ferritiques non
stabilisés s'effectue toujours entre 750 et 850 °C.
•Ceci permet la coalescence des carbures et la réhomogénéisation
de la teneur en chrome au voisinage des joints de grains évitant
ainsi les risques de corrosion intergranulaire.
•Pour les nuances stabilisées insensibles à la corrosion
intergranulaire, un traitement à plus haute température entre 850 et
900 °C est généralement effectué.
Traitement thermique des aciers ferritiques
Aciers Martensitiques
Dureté et résistance mécanique
élevée liées à la teneur en
carbone
Structure à l’état trempé fine et
aciculaire
Parsemée de fins carbures
Aciers Martensitiques
Principaux composés des aciers martensitiques :
le chrome et le carbone
• l’ajout de carbone augmentera les caractéristiques mécaniques et de dureté
• l’ajout de chrome améliorera les propriétés de résistance à la corrosion
Influence de la teneur en
carbone sur la dureté
Composition des aciers martensitiques
Chrome 12 à 17%
Carbone 0,1 à 1,2 %
Additions Ni, azote
Traitement thermique des aciers martensitiques
Ces aciers sont laminés à chaud à l'état austénitique à haute température.
•Le refroidissement qui suit au cours du bobinage provoque transformation
partielle en martensite dure et fragile, car très chargée en carbone.
•Un recuit de base permet alors d'obtenir une structure ferritique homogène,
douce et ductile, apte au laminage à froid.
•Un recuit à une température inférieur à 800 °C est effectué après laminage à
froid pour donner l'état habituel de livraison correspondant à une structure
ferritique parsemée de nombreux carbures.
•L'état d'utilisation est ensuite obtenu par trempe et revenu, conférant au
métal sa structure martensitique définitive pratiquement exempte de
carbure de chrome.
Aciers austénitiques
Relative facilité de mise en œuvre
Bonne aptitude à la déformation et
grande résistance à la corrosion
Grande stabilité structurale
=>utilisation dans un large domaine
de température
Composition des aciers austénitiques
Chrome 16 à 25%
Carbone < 0,15 %
Nickel 7 à 25%
Assure la structure
austénitique
Additions Mo, Cu
Traitement thermique des aciers austénitiques
Au cours de leur fabrication, après laminage à chaud ou à froid, ils
subissent un traitement thermique d’ hypertrempe.
•Il s'agit d'un maintien à haute température dans le domaine
d'équilibre austénitique, suivi d'un refroidissement assez rapide pour
conserver cette structure à la température ambiante et éviter la
précipitation de carbure de chrome et donc de tout risque de
corrosion intergranulaire.
Aciers austéno-férritiques
Structure biphasée ( 30 à 60% ferrite)
Contiennent du Mo pour pallier aux
problèmes de corrosion
La température d’utilisation est inférieure à
280-320°C : risque de fragilisation en service
La température d’utilisation ne peut être supérieure à 280°C-
320°C en raison des risques de fragilisation en service
Aciers austéno-férritiques
Diagramme pseudobinaire d’un alliage fer-
nickel-chrome à 70% de Fe
Hypertrempe
À température ambiante :
ferrite + austénite
Composition des aciers austéno-ferritiques
Chrome 20 à 27%
Carbone < 0,03 %
Nickel 5 à 7 %
Additions Mo, N
Traitement thermique des aciers austéno ferritiques
Dans le cas des nuances austéno-ferritiques, la présence de carbone
supplémentaire modifie l'équilibre austénite-ferrite au bénéfice de
l'austénite, pouvant même conduire à des zones superficielles
entièrement austénitiques. Le choix du type d'atmosphère de
traitement thermique et certaines précautions permettent d'éviter ce
phénomène de recarburation superficielle. Deux types de recuits
sont utilisés industriellement :
• Le recuit en atmosphère oxydante
• Le recuit brillant.
Aciers inoxydables à durcissement structural
2 propriétés fondamentales :
• de hautes résistances mécaniques obtenus par des
traitements simples
• la résistance à la corrosion
3 classes :
• Aciers martensitiques à transformation direct
• aciers martensitiques à durcissement indirect
• aciers inoxydables austénitiques
5. Choix d’un aciers inoxydable
5. Choix d’un aciers inoxydable et applications
Comparaison des différentes caractéristiques
Applications
Les grands domaines d’utilisation
• Équipements pour l’industrie et l’alimentaire
• Électroménager, ménager, coutellerie
• Industrie automobile ( système d’échappement,
décoration, organes de sécurité : gonfleur pour air bag)
• transports terrestres et maritimes (wagons et voitures
ferroviaires, citernes, conteneurs frigorifiques)
• Tubes (échangeurs, réchauffeurs, évaporateurs,
transport de fluides corrosifs)
• Bâtiment
Équipement pour l’industrie
Arbre de mélangeuse pour H3PO4
Acier austénoferritique
Phénomènes de corrosion
sous contraintes
Applications : électroménager, ménager et coutellerie
Petite cuillère
Pièce emboutie
nuance austénitique
Autocuiseur
Pièce emboutie
nuance austénitique
Applications : électroménager, ménager et coutellerie
Tambour de lave linge
Assemblages réalisés par
soudage
Nuance ferritique
Applications : électroménager, ménager et coutellerie
Élément déterminant : la qualité de la coupe
Nuance martensitique contenant au moins 0,2 % de C
Après trempe, structure martensitique dont la dureté est
suffisante pour obtenir une bonne coupe
Applications : bâtiments
En extérieur et intérieur
Couvertures, murs, entrées, mobilier urbain, décoration,
cages d’ascenseur, conduits de fumée …
Notre dame de la Treille
Cathédrale de Lille
Inox à durcissement structural
La pyramide doit son élégance à un assemblage
verre – acier inoxydable
Applications : décoration
Grande variété d’aspects de surface : brillant, mat, poli, gravé
Etat poli miroir, brossé et bouchonné
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