Types d’acier inoxydable et leurs propriétés

Types d’acier inoxydable

Caractéristiques de l’acier inoxydable

Par l’ajout de chrome (Cr) au fer (Fe), le fer devient immunisé contre la corrosion dans l’atmosphère. Lorsque la teneur en Cr atteint 11~12% ou plus, la résistance à la corrosion de l’acier devient très élevée.

Par conséquent, l’acier avec une telle quantité de chrome est appelé acier inoxydable, ici « inoxydable » signifie « sans tache de rouille ».

Pourquoi le chrome est ajouté à l’acier inoxydable

La raison pour laquelle l’acier inoxydable a une bonne résistance à la corrosion est que le Cr qu’il contient s’oxyde dans l’air et forme une couche protectrice en tant que «film passif» sur sa surface exposée, comme le montre la figure 1.

Selon les conditions environnementales dans lesquelles l’acier inoxydable est prévu d’utiliser, la teneur en Cr est augmentée, et Ni et d’autres éléments sont également ajoutés à l’acier pour obtenir différents types de propriétés de résistance à la corrosion.

Cependant, étant donné que sa résistance à la corrosion est fournie principalement par du Cr, le Cr est un élément essentiel pour l’acier inoxydable. En général, les aciers inoxydables contiennent au moins 10,5% de Cr. L’AWS Welding Handbook (Vol. 4) définit les aciers inoxydables comme des « aciers alliés avec une teneur nominale en Cr d’au moins 11 %, avec ou sans autres ajouts d’alliage ».

L’acier inoxydable est très résistant à la chaleur ainsi qu’à la corrosion et son utilisation est donc polyvalente, des produits ménagers aux équipements chimiques, en passant par le pétrole et le gaz, l’aérospatiale, les machines de transformation des aliments, les matériaux architecturaux et les équipements nucléaires, etc.

Pourquoi le nickel est ajouté à l’acier inoxydable

Le nickel rend les aciers inoxydables austénitiques et compte pour les excellentes propriétés de la nuance austénitique, à savoir la soudabilité, la formabilité et la ténacité, etc. L’ajout de nickel n’est pas obligatoire dans les aciers ferrite et austénitique.

Différents types d’acier inoxydable

L’acier inoxydable peut être divisé en

  1. Acier inoxydable Cr et
  2. Acier inoxydable Cr−Ni.

Ces deux nuances peuvent en outre être classées en fonction de leur structure métallographique, comme le montre la figure 2. L’acier inoxydable Cr peut être divisé en acier inoxydable martensitique et acier inoxydable ferritique, et l’acier inoxydable Cr−Ni peut être divisé en acier inoxydable austénitique, austénite− acier inoxydable ferrite (acier inoxydable duplex) et acier inoxydable durcissant par précipitation.

Acier inoxydable ferritique

1. L’acier inoxydable ferritique est à base de chrome avec de petites quantités de carbone, généralement au maximum de 0,10 %. Ils ont une microstructure ferritique comme les aciers au carbone et faiblement alliés. Les aciers inoxydables ferritiques sont limités à des sections relativement minces en raison du manque de ténacité des soudures. Cependant, là où le soudage n’est pas nécessaire, ils offrent une large gamme d’applications. Ils ne peuvent pas être durcis par traitement thermique. Les aciers à haute teneur en chrome avec des ajouts de molybdène peuvent être utilisés dans des conditions assez agressives telles que l’eau de mer. Les aciers ferritiques sont également choisis pour leur résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Ils ne sont pas aussi formables que les aciers inoxydables austénitiques, mais ils sont magnétiques. Les aciers inoxydables ferritiques ainsi que l’acier inoxydable Duplex sont sujets à une fragilisation de  885 °F à 475 °C. Par rapport à l’acier inoxydable martensitique, sa résistance à la corrosion est meilleure et même résistante à l’acide nitrique (HNO3) car sa teneur en Cr est plus élevée.

     Le tableau 1 montre les nuances typiques d’acier inoxydable ferritique.

Acier inoxydable austénitique

2. Les aciers inoxydables austénitiques sont les plus courants. Leur microstructure stable est obtenue par addition de Nickel, Manganèse et Azote. C’est la même structure que celle des aciers ordinaires à des températures beaucoup plus élevées, c’est-à-dire au-dessus d’une température de transformation inférieure. Cette structure confère à ces aciers leur combinaison caractéristique de soudabilité et de formabilité. Continuez à lire cet article pour des informations détaillées sur les aciers inoxydables austénitiques. La nuance d’acier inoxydable austénitique la plus courante est le SS304 ou l’AISI 304 (18 %Cr−8 %Ni). SS316 ou AISI 316 (18%Cr−12%Ni−2%Mo) offre une meilleure résistance à la corrosion, qui est également largement utilisée.

Comme l’acier inoxydable austénitique offre une bonne résistance à la corrosion, une bonne maniabilité, des propriétés mécaniques et une soudabilité, il est largement utilisé pour la fabrication de réservoirs de stockage, d’échangeurs de chaleur, d’installations de traitement des eaux usées, d’ustensiles de cuisine, de baignoires, d’éviers, etc.

Le tableau II montre les nuances typiques d’acier inoxydable austénitique.

Acier inoxydable martensitique

3. Acier inoxydable martensitique – Ces aciers sont similaires aux aciers ferritiques ayant un élément d’alliage primaire comme le chrome, mais ont des teneurs en carbone élevées pouvant atteindre 1% pour s’adapter à diverses propriétés métallurgiques. Cela permet à l’acier inoxydable martensitique d’être durci et revenu tout comme les aciers au carbone et faiblement alliés. Ils sont utilisés lorsqu’une résistance élevée et une résistance à la corrosion modérée sont requises. Ils ont généralement une soudabilité et une formabilité faibles. Ils sont de nature magnétique et peuvent être différenciés de l’acier inoxydable austénitique grâce à cette propriété.

Une nuance typique d’acier inoxydable martensitique est le SS410 (AISI 410) (voir le tableau 3.). Il contient 13 % de Cr et sa structure métallographique est martensitique à température ambiante, dure et cassante. Bien que de bonnes propriétés mécaniques puissent être obtenues avec cette nuance d’acier par un traitement thermique approprié (revenu), elle est considérée comme inférieure aux autres nuances d’acier inoxydable en termes de résistance à la corrosion car sa teneur en Cr est faible.

Les utilisations de l’acier inoxydable martensitique concernent les aubes, les vannes et les arbres de turbine qui nécessitent une résistance élevée, ainsi qu’une résistance à l’abrasion et à la chaleur.

Acier inoxydable duplex

4. Acier inoxydable duplex – Ces aciers ont une microstructure qui est d’environ 50 % ferritique et 50 % austénitique, ce qui leur confère une résistance supérieure à celle des aciers ferritiques ou austénitiques. Ils résistent à la fissuration par corrosion sous contrainte. Les aciers « lean duplex » sont formulés pour avoir une résistance à la corrosion comparable à celle des aciers austénitiques standard, mais avec une résistance et une résistance améliorées à la fissuration par corrosion sous contrainte. Les aciers Super Duplex ont une résistance et une résistance à toutes les formes de corrosion améliorées par rapport aux aciers austénitiques standard. Ils sont soudables mais nécessitent une attention particulière dans la sélection des consommables de soudage et l’apport de chaleur. Ils ont une formabilité modérée. Ils sont magnétiques mais pas tant que les grades ferritique, martensitique et PH en raison de la phase austénitique à 50 %.

Acier inoxydable à durcissement par précipitation (PH)

5. Acier inoxydable à durcissement par précipitation (PH) – Ces aciers peuvent développer une résistance très élevée en ajoutant des éléments tels que le cuivre, le niobium et l’aluminium à l’acier. Suite à un traitement thermique de « vieillissement » adapté, des particules très fines se forment dans la matrice de l’acier qui confère de la résistance à l’alliage. Ces aciers peuvent être usinés sous des formes assez complexes nécessitant de bonnes tolérances avant le traitement de vieillissement final car il y a une distorsion minimale du traitement final, ce qui les rend adaptés au matériau de l’arbre pour l’aérospatiale, le pétrole et le gaz, etc. La résistance à la corrosion du PH est comparable aux aciers austénitiques standard comme 1.4301 (SS304).

Propriétés physiques de l’acier inoxydable

Le tableau 6 montre une comparaison des propriétés physiques entre l’acier inoxydable et l’acier au carbone.

La prudence est requise lors du soudage des aciers inoxydables car il existe de grandes différences de propriétés physiques entre l’acier inoxydable et l’acier au carbone, ce qui affecte la soudabilité directement ou indirectement.

Par exemple, bien que le coefficient de dilatation thermique de l’acier inoxydable martensitique et ferritique soit presque le même que celui de l’acier au carbone, celui de l’acier inoxydable austénitique est 1,5 fois supérieur à celui de l’acier au carbone. Cela indique que la déformation et la contrainte deviennent considérablement plus importantes dans le soudage de l’acier inoxydable austénitique que dans le soudage de l’acier au carbone.

En outre, si un joint de soudure constitué d’acier inoxydable austénitique et d’acier au carbone est soumis à des cycles thermiques, il se produit des contraintes thermiques dues à la différence du coefficient de dilatation thermique entre les deux matériaux. Ainsi, c’est un problème d’utiliser un joint de soudure de métaux différents, y compris l’acier inoxydable austénitique dans un environnement où la température change de manière cyclique.

De plus, comme la résistance électrique de l’acier inoxydable est beaucoup plus élevée que celle de l’acier au carbone, une brûlure d’électrode a tendance à se produire avec des électrodes recouvertes d’acier inoxydable dans le soudage à l’arc sur métal blindé. Par conséquent, les courants de soudage appropriés sont inférieurs à ceux des électrodes en acier au carbone.

Les aciers inoxydables martensitiques et ferritiques sont ferromagnétiques, tandis que l’acier inoxydable austénitique est normalement non magnétique.

Cependant, il existe de nombreux cas dans lesquels le métal fondu en acier inoxydable austénitique est conçu pour contenir une certaine structure ferritique; dans de tels cas, il possède une certaine étendue de magnétisme.

L’existence ou la non-existence du magnétisme est utile pour un jugement approximatif de la nuance d’acier par rapport à la procédure de soudage. Par exemple, le préchauffage n’est pas appliqué à l’acier inoxydable non magnétique, mais le préchauffage est efficace pour l’acier inoxydable magnétique dans de nombreux cas.