Acier inoxydable - Définition

Structure métallurgique et rôle des éléments d'addition

Les éléments d’addition

Le chrome

Les aciers inoxydables sont des alliages fer-chrome ou plus exactement acier-chrome c'est-à-dire fer-carbone-chrome. Conformément à la norme européenne EN 10088-1, un acier est classé acier inoxydable s’il contient au minimum 12 % en masse de chrome et moins de 2 % de carbone.

C’est le chrome qui donne aux aciers inoxydables leur résistance à la corrosion.

Le carbone

La teneur en carbone est limitée à un maximum de 1,2 % en masse afin d’éviter la formation de carbures (notamment de carbures de chrome, qui est un composé très stable mais qui n'empêche pas l'oxydation du fer) qui sont préjudiciables au matériau. Par exemple, le carbure MC qui peut apparaître dans l'austénite 18-9 a un effet négatif vis-à-vis de la corrosion intergranulaire.

Autres éléments

Le nickel favorise la formation de structures homogènes de type austénitique, intéressantes pour éviter la corrosion mais à éviter soigneusement dans le domaine du frottement.

Le manganèse est un substitut du nickel. Certaines séries d’alliages austénitiques ont été développées permettant de faire face aux incertitudes d’approvisionnement du nickel.

Le molybdène et le cuivre améliorent la tenue dans la plupart des milieux corrosifs, en particulier ceux qui sont acides, mais aussi dans les solutions phosphoriques, soufrées, etc. Le molybdène accroît la stabilité des films de passivation.

Le tungstène améliore la tenue aux températures élevées des aciers inoxydables austénitiques.

Le titane doit être utilisé à une teneur qui dépasse le quadruple de la teneur en carbone. Il évite l'altération des structures métallurgiques lors du travail à chaud, en particulier lors des travaux de soudure où il prend la place du chrome pour former un carbure de titane (TiC) évitant de ce fait la perte du caractère d'inoxydabilité dans les zones affectées par la chaleur (ZAC) du fait de la captation du chrome, conséquence directe de la formation de carbure de chrome Cr₂₃C₆.

Le niobium a un point de fusion beaucoup plus élevé que le titane et présente des propriétés semblables. Il est utilisé dans les métaux d'apport pour soudage à l'arc électrique en lieu et place du titane qui serait volatilisé pendant le transfert dans l'arc électrique.

Le silicium joue également un rôle dans la résistance à l’oxydation, notamment vis-à-vis des acides fortement oxydants (acide nitrique concentré ou acide sulfurique concentré chaud.

Système fer-chrome

Le fer pur possède trois formes allotropiques en fonction de la température :

• jusqu’à 910 °C (point A3) : forme alpha (α), ferrite (cubique centré) ;
• de 910 à 1 400 °C (point A4) : forme gamma (γ), austénite (cubique à faces centrées) ;
• de 1 400 à 1 538 °C (température de fusion) : forme delta (δ), ferrite (cubique centré).

Le chrome est un élément dit alphagène. Il favorise fortement la forme ferritique. Sur le diagramme de phase Fe-Cr, le domaine austénitique est assez réduit et est représenté par un domaine limité appelé boucle gamma.

Pour des teneurs supérieures à 11,5 % de chrome, l’alliage reste ferritique dans toute la plage de température. Il y a disparition de la transformation allotropique α-γ. Entre 10,5 et 11,5 % de chrome, l’alliage est biphasé ferrite + austénite dans certaines plages de température. Il subit une transformation ferrite/austénite pour des teneurs inférieures à 10,5 %.

On notera que le chrome jusqu’à 8 % abaisse la température A3 et se comporte comme un élément gammagène. Ce comportement s’inverse pour des teneurs supérieures à 8 %, point à partir duquel cette température augmente.

Pour certaines teneurs de chrome, dans le cadre d’un refroidissement lent, il peut y avoir formation de phase intermétallique sigma (σ) à des températures inférieures à 820 °C. Elle précipite au joint de grain ou dans la matrice ferritique entraînant une fragilité.

Système fer-chrome-nickel

Le nickel est à l’opposé du chrome un élément dit gammagène. Il ouvre le domaine austénitique.

Concrètement, l’addition de nickel augmente la taille de la boucle gamma.

Éléments α-gènes γ-gènes

D’autres éléments ont un rôle alphagène ou gammagène. Un rôle particulier est tenu par le carbone et l’azote.

Le carbone à un rôle gammagène et rentre donc en « compétition » avec le chrome. En fait plus que le carbone seul, c’est le couple carbone-azote dont il faut tenir compte. Ces deux éléments étant des éléments d’alliage d'insertion contrairement aux autres éléments qui sont des éléments de substitution.

Les éléments alphagènes sont le chrome, le molybdène, le silicium, le titane, le niobium, le vanadium, le tungstène, l'aluminium et le tantale.

Les éléments gammagènes sont le nickel, le carbone, l'azote, le cobalt et le manganèse. Le manganèse peut avoir un rôle plus complexe.

Plusieurs modèles approximatifs ont été mis au point pour prévoir le comportement de l’alliage en fonction de la composition globale de l’alliage. Les teneurs sont affectées de coefficients établis par expérience afin de tenir compte du poids de chacun des éléments.

Pour les produits laminés, il existe le modèle de Pryce et Andrew donnant les équations suivantes :

• chrome équivalent : (Cr)_eq= (%Cr)+3(Si%)+(%Mo) ;
• nickel équivalent : (Ni)_eq= (%Ni)+0.5(%Mn)+21(%C)+11,5(%N).

On remarquera le poids important du carbone et de l’azote.

Il existe également le modèle de Schaeffler et le modèle de Delong pour les aciers inoxydables à l’état brut de soudage.

• Modèle de Schaeffler :

• chrome équivalent : (Cr)= (%Cr)+1,5(Si%)+(%Mo)+0,5(%Nb) ;
• nickel équivalent : (Ni)= (%Ni)+0,5(%Mn)+30(%C).

• Modèle de Delong :

• chrome équivalent : (Cr)= (%Cr)+1,5(Si%)+(%Mo)+0,5(%Nb) ;
• nickel équivalent : (Ni)= (%Ni)+0,5(%Mn)+30(%C)+30(%N).

Contrairement au modèle de Schaeffler, le modèle de Delong prend en compte l’azote.