La désignation des nuances d`acier : Ce que c`est et à quoi cela sert

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Les aciers inoxydables
Qu’est-ce qu’un acier inoxydable ?
Un acier inoxydable est, d’après la définition de la norme NF EN 10020, un acier contenant au minimum 10,5 % de
chrome et au maximum 1,2 % de carbone.
Existe-t-il une classification des aciers inoxydables ? Quelles sont les grandes familles ?
On peut segmenter les aciers inoxydables par familles, en se fondant :
1)
- sur la composition chimique notamment teneurs en chrome et autres éléments alphagènes , en nickel et
2)
autres éléments gammagènes
- sur les principales propriétés d’utilisation (résistance à la corrosion, caractère réfractaire, résistance au
fluage…)
- et/ou sur la structure cristalline.
La classification ci-après est fondée sur la structure cristalline. On peut ainsi distinguer :
- Les aciers inoxydables martensitiques : ce sont des aciers contenant de 12 à 18 % de chrome, de teneur en
carbone assez élevée (jusqu’à 1,2 %). Ils présentent une résistance à la corrosion modérée, un allongement à
la rupture faible et des caractéristiques mécaniques élevées. Ces aciers sont magnétisables.
- Les aciers inoxydables à durcissement par précipitation avec une teneur en chrome souvent comprise entre
15 et 17 %. Ces aciers souvent de matrice martensitique (parfois avec de l’austénite) ont subi un traitement
spécifique permettant une précipitation de composés par exemple riches en cuivre. Ils permettent d’améliorer
les caractéristiques mécaniques de résistance à la rupture des aciers inoxydables. On trouve dans cette famille
les aciers Maraging.
- Les aciers inoxydables ferritiques (série 400 ASTM) : ce sont des aciers à faible teneur en carbone (inférieure
à 0,1 %) dont la structure est ferritique. La résistance à la corrosion s’améliore avec l’augmentation de la teneur
en chrome. Les ferritiques disposent de bonnes caractéristiques mécaniques. Leur limite d’élasticité est plus
-6
importante que celle des austénitiques. Il faut aussi signaler leur plus faible coefficient de dilatation (12.10 /°C),
leur plus grande conductivité thermique, leur insensibilité à la corrosion sous contrainte. Ces aciers sont
magnétisables. On distingue :
1)
2)
3
-
Les aciers ferritiques faiblement alliés à 11-14 % de chrome,
-
Les aciers ferritiques à 15-18 % de chrome, non stabilisés.
-
Les aciers ferritiques à 16-20 % de chrome stabilisés. Des additions de titane, niobium et/ou plus
rarement de zirconium présentant une grande affinité au carbone et à l’azote permettent la formation
de carbonitrures limitant la croissance des grains. Cette "stabilisation" est importante en particulier
3
pour le contrôle de la taille des grains en ZAT et donc des caractéristiques mécaniques des soudures
ainsi que pour les propriétés de tenue au fluage.
-
Les aciers ferritiques à 18-20 % de chrome contenant du molybdène (1-2 %) pour améliorer leur tenue
à la corrosion
-
Les aciers ferritiques à très haute teneur en chrome (22-25 %) et "super-ferritiques" (plus de 25 % de
chrome et jusque 3 % de molybdène) ; ces aciers présentent une résistance à la corrosion améliorée
dans les milieux neutres chlorurés tels que l’eau de mer. Un apport de nickel (jusque 4 %) permet
d’améliorer leur ténacité.
-
Les aciers ferritiques "réfractaires" (à 14-20 % de chrome) destinés aux températures élevées
(corrosion sèche) dont la majorité ont des additions de niobium pour améliorer la tenue au fluage.
Certaines nuances ont également des ajouts d’aluminium.
Un élément alphagène est un élément favorisant une structure cristalline ferritique soit cubique centrée.
Un élément gammagène est un élément favorisant une structure cristalline austénitique soit cubique face centrée.
Zone Affectée Thermiquement lors du soudage.
6 rue André Campra - 93212 La Plaine Saint-Denis CEDEX
Fiche 14 - septembre 2013
Les indications figurant dans ce document sont fournies à titre informatif sans aucune garantie de la FFA ; leur usage ne
peut engager sa responsabilité en aucune façon. Seule la norme AFNOR dans son édition la plus récente fait foi.
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Les aciers inoxydables
Existe-t-il une classification des aciers inoxydables ? Quelles sont les grandes familles ?(suite)
- Les aciers inoxydables austénitiques (série 300 ASTM) : ce sont des aciers contenant du chrome
(couramment 18 %) et du nickel (couramment de 8 à 10 %) dont la structure est austénitique à température
ambiante. Ils allient une facilité de mise en œuvre avec une grande aptitude à la déformation et une résistance
à la corrosion satisfaisante dans de très nombreux milieux (mais pas, sans entretien, en milieu marin). Une
grande stabilité structurale permet leur utilisation à hautes températures (échangeurs de chaleur) et aux basses
températures (stockage de gaz liquéfié). Ces aciers ne sont pas magnétisables. On distingue :
-
Les nuances de type 18 % de chrome, 8 % de nickel avec ou sans additions de titane, niobium,... qui
constituent la référence des aciers inoxydables (50 % de la production mondiale) avec une variante à
teneur en nickel légèrement plus basse conduisant à une instabilité de l’austénite lors de déformations
à l’ambiante ce qui permet l’obtention de gains en allongement avant rupture (nuance 301...).
-
Les nuances austénitiques de la série 300 présentant une résistance à la corrosion renforcée grâce à
des additions accrues de chrome, nickel et molybdène. (alliages 316, 317, 904, super-austénitiques à
6 % de molybdène). Ces nuances les plus alliées ont des propriétés de tenue à la corrosion humide
qui avoisinent celles des alliages de nickel-chrome. Des nuances austénitiques avec additions
spécifiques de cuivre, silicium, tungstène… ont été également développées pour des applications
spécifiques (urée, acide nitrique…).
-
Les nuances austénitiques réfractaires (18-25 % de chrome) avec des additions spécifiques de
silicium, aluminium ou terres rares (yttrium, cérium, lantane…) pour les applications à hautes
températures.
- Les aciers inoxydables austénitiques où le nickel est au moins partiellement remplacé par une combinaison de
manganèse et d’azote et éventuellement en sus du cuivre. (série 200 ASTM). Ces aciers ont été développés
principalement en Inde et en Chine pour s’affranchir des additions onéreuses de nickel. Leurs emplois sont
fréquents en Asie pour des biens de consommation (casseroles, décoration intérieure…). Ils conservent la
ductilité de la phase austénitique (grande aptitude à la déformation mécanique) et ont une résistance
mécanique supérieure aux aciers austénitiques de la série 300 ASTM, expliquée par le rôle durcissant des
additions d’azote. Ces aciers peuvent globalement être regroupés en deux familles :
-
Les aciers avec une teneur en nickel voisine de 4 % et dont le nickel n’est, en conséquence, que
partiellement substitué par des additions de manganèse et d’azote. La teneur en chrome est
généralement comprise entre 16 et 17 %. Les derniers développements considèrent aussi 1-3 %
d’additions de cuivre pour restreindre celles d’azote qui apportent un excédent de résistance
mécanique pas toujours recherché pour des pièces embouties pour usage domestique. Une variante
avec 2 % de molybdène a été développée pour les milieux plus corrosifs mais son usage reste très
marginal.
-
Les aciers avec une teneur en nickel voisine de 1 % et où le remplacement du nickel est, en
conséquence, quasi complet. Ces aciers sont généralement moins riches en chrome (14-16 %) et plus
chargés en azote et manganèse, avec souvent des compléments en cuivre. En conséquence ces
aciers offrent moins de résistance à la corrosion que les aciers à 18 % de chrome et 8 % de nickel
mais sont souvent satisfaisants pour des usages comme les biens de consommation ou en décoration
lorsqu’ils ne sont pas en contact permanent de milieux aqueux.
- Les aciers inoxydables austéno-ferritiques (souvent appelés aciers duplex) : ces aciers présentent des parts
de ferrite et d’austénite sensiblement voisines. Les caractéristiques mécaniques sont plus élevées que celles
des aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques, tout en gardant un allongement à la rupture voisin de 40 %.
Leur emploi est généralement limité aux températures inférieures à 300 °C. On distingue :
-
Les aciers duplex sans molybdène avec 20-23 % de chrome, 1-4 % de nickel et 0,12 à 0,3 % d’azote
considérés comme les nuances duplex d'entrée de gamme mais dont la tenue à la corrosion est
équivalente aux nuances 304/316 suivant l’équilibrage chimique et les conditions d’emploi.
-
Les nuances duplex avec une teneur en chrome voisine de 22 % mais avec additions de 1,5 % ou plus
(généralement 3 %) de molybdène et 0,15 à 0,25 % d’azote. Parmi ces aciers, la nuance dite 2205 est
le standard des nuances duplex, avec des applications essentiellement pour les biens
d’investissements en milieux sévères (pétrole-gaz, eau de mer, dessalement, pâte à papier, chimie et
pétrochimie…).
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Les aciers inoxydables
-
Les nuances superduplex avec 25 % de chrome mini, 6-7 % de nickel, 3,5-4 % de molybdène et 0,250,4 % d’azote. Ces nuances peuvent contenir des additions complémentaires de tungstène ou/et de
cuivre. Elles sont destinées aux milieux les plus corrosifs comme ceux de la chimie minérale, les
Ombilical, l’eau de mer chaude.
Quelles sont les principales caractéristiques recherchées avec les aciers inoxydables ?
Dans tous les cas, le choix de la nuance d’acier devra prendre en compte les conditions du milieu et les restrictions
qu’il peut entraîner de par ses propriétés particulières. On peut trouver :
- dans la norme NF EN 10088-1, des éléments concernant les compositions chimiques et les données de
référence de certaines propriétés physiques d’aciers inoxydables,
- et dans les normes NF EN 10088-2 et NF EN 10088-3, des données concernant les caractéristiques
mécaniques d’aciers inoxydables normalisés au niveau européen, respectivement pour les produits plats et les
produits longs.
On évoque principalement pour les aciers inoxydables :
- La résistance à la corrosion humide qui correspond à la résistance aux attaques locales ou uniformes de
l’environnement.
La protection contre la corrosion est assurée pour les aciers contenant plus de 10,5 % de chrome par la
formation spontanée d’une couche d’oxyde de chrome et de fer : ce phénomène s’appelle la passivation.
Toutefois ce film protecteur appelé aussi film passif n’a un réel rôle protecteur que pour des conditions
spécifiques et pour une composition chimique donnée. Ainsi, la résistance du film passif en milieu aqueux est
généralement renforcée avec l’augmentation de la teneur en chrome, en molybdène et en tungstène ou en
cuivre dans des cas spécifiques. L’azote joue aussi un rôle déterminant lorsque l’on considère l’aptitude de
l’acier inoxydable à résister à la corrosion localisée de type piqûre ou crevasse. Bien entendu, une acidification
de la solution rend celle-ci généralement plus agressive. Le diagramme présenté ci-dessous relie les
caractéristiques mécaniques des aciers inoxydables (allongement à la rupture et le PREN (Pitting Resistance
Equivalent Number) de la nuance égal à [%Cr + 3,3 %Mo + 16 %N] qui donne une indication très utile de tenue
à la corrosion des aciers inoxydables dans de nombreux milieux. Il met en relation les différentes familles
d’aciers inoxydables, les substitutions potentielles et les marchés concernés.
PREN Resistance a la Corrosion
(%Cr +3,3%Mo + 16%N)
FERRITIQUES
Serie 400
DUPLEX
“BAS NICKEL” AUSTENITIQUES
Series 200
series 300
+ résistant
a la corrosion
2507
Bas Ni
K44X K44
K45
K36/K41
K33X K39
K11X K30
K09
25%
317LNM
317L
Biens
d’investissement
316
2304
17-4 Cu
201
2202
2101
Tres Bas Ni
35%
Marin
Extérieur
6Mo
904
2205+
2205
MARCHES
204
1Ni 14Cr
304
301
Nourriture
et santé
B&C
Transports
“Produits
blancs”
Electroménager
Intérieur
50% Allongement (%)
- La résistance à la corrosion sèche ou résistance à une dégradation de l’acier par une oxydation, nitruration,
carburation. Les aciers sont dits réfractaires et sont principalement ferritiques ou austénitiques. Ils présentent
une bonne résistance à l’oxydation et aux effets des gaz chauds et des produits de combustion aux
températures supérieures à 550 °C. Un cas particulier concerne l’aptitude à la résistance à la déformation sous
contraintes mécaniques de longue durée ou usages cycliques à des températures supérieures à 500 °C (partie
chaude de l’échappement), soit une résistance au fluage.
Il faut également évoquer la bonne adaptation des aciers inoxydables aux applications médicales ou réclamant un
respect rigoureux de règles d’hygiène, comme pour le contact alimentaire, et les qualités esthétiques de ces produits.
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Les aciers inoxydables
Quels sont les états de surface des aciers inoxydables ?
On peut trouver dans le Tableau 6 de la norme NF EN 10088-2 et le Tableau 7 de la norme NF EN 10088-3, les
éléments concernant les aspects de surface et les gammes de fabrication des produits en acier inoxydable. On
évoque principalement :
- Pour les produits plats : les aspects recuit, décapé skin passé ou non skin passé, mat ou brillant, poli, brossé,
avec motifs … colorés.
- Pour les produits longs : les aspects lisse, mat ou brillant, éventuellement poli…
Quelles sont les caractéristiques guidant le choix d’un acier inoxydable ?
La caractéristique la plus commune recherchée lors de la sélection d’un acier inoxydable est sa tenue à la corrosion
humide ou sèche. Le choix final de la nuance prendra aussi en compte ses caractéristiques mécaniques dictées par
les conditions d’emploi (davantage d’aptitude à la déformation, davantage de résistance mécanique pour réduire le
poids ou résister aux pressions, davantage d’aptitude au soudage ou à l’usinage…).
Le facteur sécurité d’usage est aussi primordial ; le choix de la nuance sera influencé par les conditions en service
(biens d’investissement nécessitant des décennies d’usage sans risques de dégradations, biens d’équipement avec
maintenance très réduite, biens de consommation considérant une durée de vie limitée… et sans conséquences
majeures en cas de dégradation…).
D’autres aspects importants sont à considérer pour la sélection des matériaux dans des applications spécifiques
comme celles liées à l’alimentarité ou la santé.
L’état de surface peut aussi être un critère déterminant sachant que l’acier inoxydable suivant sa "route métallurgique"
peut être livré dans différents états de surface dont celui de recuit brillant à savoir un traitement thermique final sous
hydrogène permettant l’obtention de surfaces équivalentes à un poli miroir.
L’épaisseur finale du produit et son aptitude au soudage sont aussi des critères déterminants car les structures
ferritiques ne peuvent être considérées que pour les produits relativement minces et ceci d’autant plus que les
nuances sont chargées en chrome ou ne sont pas stabilisées. Elles ne sont pas non plus conseillées pour la majorité
des applications à basses températures car elles subissent une transformation ductile/fragile avec la baisse de la
température.
Quels sont les producteurs et les emplois ?
Vous pouvez consulter sur le site du SPAS, dans l’onglet "Les aciers spéciaux" la rubrique aciers inoxydables et
réfractaires qui indique les principaux producteurs français et les utilisations de ces aciers.
Pour aller plus loin
Pour compléter l’approche, vous pouvez consulter le dossier de ConstruirAcier sur les aciers inoxydables ainsi que
l’Article d’experts sur la microstructure des aciers.
Pour une approche simplifiée du choix des aciers inoxydables/caractéristiques des aciers inoxydables, vous pouvez
consulter la fiche de Euro Inox " Qu'est-ce que l'acier inoxydable ?".
Pour approfondir les informations sur les différents types de corrosion à prendre en compte pour les aciers
inoxydables vous pouvez consulter la fiche sur le site d’Aperam.
Pour approfondir le sujet, vous pouvez consulter le dossier Aciers inoxydables, aciers réfractaires et aciers résistants
au fluage sur le site Techniques de l'ingénieur.
Vous pouvez également vous reporter à l’ouvrage "Les Aciers Inoxydables" - Les éditions de physique - Editeurs
scientifiques P. LACOMBE - B. BAROUX - G. BERANGER.
Pour parfaire votre connaissance des aciers inoxydables duplex, vous pouvez consulter les proceedings de la
conférence "Duplex Stainless Steels 2010" - Les éditions de physique, éditeur J. CHARLES.
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