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