Effet des éléments d’alliage dans l’acier

Effet de divers éléments d’alliage en acier/fer et acier inoxydable

L’acier est principalement un alliage de fer et de carbone et de certains éléments supplémentaires tels que le manganèse et le silicium. L’alliage fait ici référence à l’ajout d’autres éléments pour obtenir les propriétés mécaniques (résistance à la traction, rendement, ténacité, etc.) souhaitées, physiques (dureté, couleur, etc.) et chimiques (par exemple, résistance à la corrosion).
Différents éléments d’alliage ont leur propre effet sur les propriétés de l’acier. Dans cet article, vous apprendrez la plupart des éléments d’alliage, leur effet sur les propriétés de l’acier avec leur ajout ainsi que leur importance pour les ingénieurs en soudage, matériaux, métallurgistes et QA-QC.

Le tableau ci-dessous résume les effets des éléments d’alliage dans l’acier. Pour une explication détaillée, continuez à travers le post.

effets des éléments d'alliage dans l'acier

Effet du carbone (C) sur l’acier

Le carbone est un stabilisant austénitique puissant, il augmente la résistance à la traction des aciers en augmentant la quantité de carbure présent. Le carbone augmente la capacité de durcissement de l’acier afin qu’il puisse être efficacement trempé et revenu. Le carbone avec ses effets uniques sur l’acier fournit une transformation allotropique à l’acier. 
Le carbone diminue fortement la ténacité et la résistance à la corrosion des aciers ferritiques. Le carbone martensitique augmente la dureté et la résistance, mais diminue la ténacité. Cet effet est plus présent sous forme de cémentite lamellaire (en couches) dans la perlite plutôt que de particules rondes (globulaires/sphéroïdales).

Effet du carbone (C) sur l'acier

Effet Silicium (Si) sur l’acier

Le silicium augmente la résistance à l’oxydation, à la fois à haute température et dans des solutions fortement oxydantes à basse température. Le silicium étant un stabilisateur de ferrite, il favorise les microstructures ferritiques. Le silicium augmente la résistance de l’acier ainsi que sa fonction principale de désoxydant. Il modère l’augmentation de la capacité de durcissement.

Effet Silicium (Si) sur l'acier

Effet du manganèse (Mn) sur l’acier

Le manganèse est ajouté jusqu’à 1,8 % en poids. Il se combine avec du soufre pour former des inclusions de sulfure de manganèse moins nocives dans les aciers à haute teneur en soufre, évitant ainsi les problèmes de fissuration à chaud pendant le soudage. Il augmente la résistance de l’acier mais moins que le silicium. Il aide à augmenter la ténacité de l’acier à température ambiante. Le manganèse augmente considérablement la capacité de durcissement de l’acier.

Le manganèse est généralement utilisé pour améliorer la ductilité à chaud. Son effet sur l’équilibre ferrite/austénite varie avec la température : à basse température, le manganèse est un stabilisateur d’austénite, mais à haute température, il stabilise la ferrite. Le manganèse augmente la solubilité de l’azote et est utilisé pour obtenir des teneurs élevées en azote dans les aciers inoxydables duplex et austénitiques. Le manganèse, en tant que formateur d’austénite, peut également remplacer une partie du nickel dans l’acier inoxydable.

manganese Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet Nickel (Ni) sur l’acier

La raison principale de l’ajout de nickel est de favoriser une microstructure austénitique. Le nickel augmente généralement la ductilité et la ténacité. Il réduit également la vitesse de corrosion à l’état actif et est donc avantageux en milieu acide. Dans les aciers à durcissement par précipitation, le nickel est également utilisé pour former les composés intermétalliques qui sont utilisés pour augmenter la résistance. Dans les nuances martensitiques, l’ajout de nickel, combiné à une réduction de la teneur en carbone, améliore la soudabilité.

Le nickel a peu d’effet sur la résistance et la capacité de durcissement de l’acier, mais améliore considérablement sa ténacité à basse température en favorisant une austénitique stable même à température ambiante. Le nickel augmente également la résistance à la corrosion atmosphérique de l’acier.

Ni Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet chrome (Cr) sur l’acier

C’est l’élément d’alliage le plus important et il confère aux aciers inoxydables leur résistance de base à la corrosion. Tous les aciers inoxydables ont une teneur en Cr d’au moins 10,5% et la résistance à la corrosion augmente la teneur en chrome plus élevée. Le chrome favorise une microstructure ferritique.

Le chrome a peu d’effet sur la résistance de l’acier mais augmente la capacité de durcissement de l’acier. Il augmente la résistance de l’acier à la formation de tartre/oxyde lorsqu’il est chauffé à des températures élevées, ce qui en fait un élément d’alliage principal pour les matériaux à haute température tels que les aciers Cr-Mo. De plus, il se combine avec le carbone pour former des carbures de chrome qui sont plus stables que la cémentite, c’est-à-dire qu’ils ne se décomposent pas avec le temps dans les applications à température élevée. Le chrome aide à maintenir la résistance de l’acier et réduit son écoulement (fluage) à des températures plus élevées et pendant de plus longues périodes.

Cr Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet molybdène (Mo) sur l’acier

Le molybdène augmente considérablement la résistance à la corrosion uniforme et localisée. Il augmente légèrement la résistance mécanique et favorise fortement une microstructure ferritique. Cependant, le molybdène augmente également le risque de formation de phases secondaires dans les aciers ferritiques, duplex et austénitiques. Dans les aciers martensitiques, il augmente la dureté à des températures de revenu plus élevées en raison de son effet sur la précipitation du carbure.

Molybdène Augmente la capacité de durcissement, légèrement plus que le chrome. Il forme un carbure plus stable que la cémentite et augmente la résistance de l’acier à la déformation (fluage), donc également un élément d’alliage important pour les aciers d’application à haute température tels que les aciers Cr-Mo.

Mo Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet vanadium (V) sur l’acier

Le vanadium forme des carbures et des nitrures et favorise la ferrite dans la microstructure. Le vanadium est ajouté pour la résistance et la ténacité via le raffinement du grain dans les aciers bruts de laminage (contrôle) ainsi que dans les aciers normalisés. Il aide en conservant une dureté et une résistance plus élevées après revenu dans les aciers trempés et revenus. Également ajouté dans certains aciers destinés aux applications à température élevée tels que les aciers Cr-Mo-V pour les réacteurs. Il augmente la dureté des aciers martensitiques en raison de son effet sur le type de carbure présent. Il augmente également la résistance à la trempe. Il n’est utilisé que dans les aciers inoxydables qui peuvent être trempés.

V Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet du niobium (Nb) sur l’acier

Le niobium, également connu sous le nom de colombium aux États-Unis, est un puissant formateur de ferrite et de carbure. Comme le titane, il favorise une structure ferritique. Dans les aciers austénitiques, il est ajouté pour améliorer la résistance à la corrosion intergranulaire (nuances stabilisées), mais il améliore également les propriétés mécaniques à haute température. Dans les nuances ferritiques, du niobium et/ou du titane sont parfois ajoutés pour améliorer la ténacité et minimiser le risque de corrosion intergranulaire. Dans les aciers martensitiques, le niobium abaisse la dureté et augmente la résistance au revenu. 

Il est ajouté pour la résistance et la ténacité car une fine dispersion de carbures de niobium favorise le raffinement du grain. Il aide également à conserver la granulométrie fine dans les zones de soudure affectées par la chaleur. Le niobium est ajouté dans l’acier inoxydable en tant qu’élément stabilisant (un autre élément stabilisant est le titane) car il se combine facilement avec le carbone et empêche la formation de carbure de chrome dans l’acier inoxydable.

Nb Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet cuivre (Cu) sur l’acier

Du cuivre est ajouté pour augmenter la résistance à la corrosion et la résistance de l’acier. Le cuivre favorise une microstructure austénitique. Les effets du cuivre sur la ténacité et la capacité de durcissement sont faibles. Il augmente la résistance à la corrosion atmosphérique de l’acier. Les quantités totales de cuivre ajoutées sont faibles pour éviter la brièveté à chaud de l’acier.

Cu Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet du bore (B) sur l’acier

Du bore ajouté à des aciers à relativement faible teneur en carbone en très petites quantités pour augmenter la capacité de durcissement des aciers destinés à être trempés et revenus. Le bore est un agent de renforcement très puissant lorsqu’il est utilisé en combinaison avec du molybdène, du titane ou du vanadium.

Boron Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet de l’azote (N) sur l’acier

L’azote est un formateur d’austénite très résistant qui augmente également de manière significative la résistance mécanique. Il augmente également la résistance à la corrosion localisée, notamment en association avec le molybdène. Dans les aciers inoxydables ferritiques, l’azote réduit fortement la ténacité et la résistance à la corrosion. Dans les nuances martensitiques, l’azote augmente à la fois la dureté et la résistance, mais réduit la ténacité.

L’azote est ajouté intentionnellement uniquement lorsque d’autres éléments comme le vanadium sont présents afin que les nitrures de vanadium puissent améliorer la résistance et aider à affiner la taille des grains. L’azote étant un stabilisant austénitique puissant, il est ajouté à l’acier inoxydable austénitique et à l’acier inoxydable duplex. 

Nitrogen Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet aluminium (Al) sur acier

L’aluminium est ajouté en quantités substantielles. L’aluminium améliore la résistance à l’oxydation et est utilisé dans certaines qualités résistantes à la chaleur à cette fin. Dans les aciers à durcissement par précipitation, l’aluminium est utilisé pour former les composés intermétalliques qui augmentent la résistance à l’état vieilli.

Al Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet Titane (Ti) sur l’acier

Le titane est un puissant formateur de ferrite et de carbure, abaissant la teneur effective en carbone et favorisant une structure ferritique de deux manières. Dans les aciers austénitiques à teneur élevée en carbone, il est ajouté pour augmenter la résistance à la corrosion intergranulaire (nuances stabilisées), mais il augmente également les propriétés mécaniques à haute température. Dans les nuances ferritiques, du titane est ajouté pour améliorer la ténacité, la formabilité et la résistance à la corrosion. Dans les aciers martensitiques, le titane abaisse la dureté de la martensite en se combinant avec le carbone et augmente la résistance au revenu. Dans les aciers à durcissement par précipitation, le titane est utilisé pour former les composés intermétalliques qui sont utilisés pour augmenter la résistance.

Le titane est un élément qui est principalement ajouté pour lier le carbone, également connu sous le nom de stabilisation du carbure. Cela améliore la soudabilité car la combinaison de carbone et de titane (carbures de titane) est stable et difficile à dissoudre dans l’acier. Cela minimise les occurrences de corrosion intergranulaire.

Ti Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet cobalt (Co) sur l’acier

Le cobalt est utilisé dans les aciers martensitiques, où il augmente la dureté et la résistance au revenu, en particulier à des températures plus élevées. Le cobalt est également utilisé dans les matériaux de revêtement dur en raison de sa dureté élevée. Avec les applications nucléaires, des restrictions sur le cobalt sont nécessaires car l’élément peut devenir hautement radioactif lorsqu’il est exposé aux radiations.

Cobalt Effet des éléments d'alliage dans l'acier

Effet du soufre (S) sur l’acier

Du soufre est ajouté à certains aciers inoxydables pour augmenter leur usinabilité. Aux niveaux présents dans ces qualités, le soufre réduit légèrement la résistance à la corrosion, la ductilité, la soudabilité et la formabilité. Des niveaux inférieurs de soufre peuvent être ajoutés pour réduire l’écrouissage et améliorer la formabilité. Une teneur en soufre légèrement augmentée améliore également la soudabilité de l’acier.

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Effet tungstène (W) sur l’acier

le tungstène augmente la dureté en particulier à des températures élevées en raison de carbures stables, affine la taille des grains. Le tungstène est ajouté à des nuances spéciales telles que l’alliage 686, la nuance Super Duplex 4501, qui est un matériau hautement résistant à la corrosion.

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