Guide de l'acier inoxydable austénitique haute performance -- Présentation métallurgique

1. Types d'acier inoxydable

L'acier inoxydable est un alliage à base de fer avec une teneur en chrome d'au moins 10,5 %. Il est largement utilisé en raison de sa bonne résistance à la corrosion et de ses performances à haute température. Lorsque la teneur en chrome atteint 10,5 %, une couche d'oxyde riche en chrome se forme à la surface de l'acier, appelée couche de passivation ou film de passivation. Ce film protège l'acier inoxydable de la rouille comme l'acier ordinaire. Il existe de nombreux types d'acier inoxydable, mais tous les aciers inoxydables doivent répondre à l'exigence de teneur minimale en chrome.

L'acier inoxydable est divisé en cinq catégories : l'acier inoxydable austénitique, l'acier inoxydable ferritique, l'acier inoxydable duplex (avec une structure mixte de ferrite et d'austénite), l'acier inoxydable martensitique et l'acier inoxydable à durcissement par précipitation. La classification de ces catégories est liée à la structure cristalline (arrangement atomique) et au traitement thermique de l'acier inoxydable. Un groupe de cristaux ayant la même structure cristalline dans un métal est appelé une phase. Il existe trois phases principales dans l'acier inoxydable : l'austénite, la ferrite et la martensite. Le type et la quantité de structure métallographique de l'acier inoxydable peuvent être déterminés par un processus d'inspection métallographique standard et un microscope métallographique optique.

La caractéristique de l'acier inoxydable austénitique est que la structure métallographique est principalement austénitique. La structure cristalline de la phase austénitique est une structure cubique à faces centrées (fcc), c'est-à-dire qu'il y a un atome à chaque coin et centre de chaque face du cube. En revanche, la structure cristalline de la phase ferrite est une structure cubique centrée sur le corps (bcc), avec un atome à chaque coin et centre du cube. La structure cristalline de la phase martensite est une structure tétragonale centrée sur le corps à forte contrainte.

La structure cristalline de la phase austénitique est un réseau cubique à faces centrées (fcc), la phase de ferrite est un réseau cubique centré sur le corps (bcc) et la phase martensite est un réseau tétragonal centré sur le corps (bct).

 

1.1 Acier inoxydable austénitique :

L'acier inoxydable austénitique n'a pas de magnétisme, une limite d'élasticité moyenne, un taux d'écrouissage élevé, une résistance à la traction élevée, une bonne plasticité et une excellente ténacité à basse température. Contrairement aux autres aciers inoxydables, la ténacité des aciers inoxydables austénitiques diminue lentement avec la diminution de la température. L'acier inoxydable austénitique n'a pas de température de transition ductile-fragile définie (DBTT), c'est donc un matériau idéal pour les applications à basse température.

Diagramme de la température de transition ductile-fragile (DBTT) de l'acier inoxydable austénitique, ferritique et duplex (austénitique-ferritique). Le DBTT réel dépend de l'épaisseur de la section, de la composition chimique et de la taille des grains. Le DBTT de l'acier inoxydable ferritique est généralement de 20 à - 30 degré C (70 à - 22 degré F).

 

L'acier inoxydable austénitique a une bonne soudabilité et peut être transformé en diverses formes complexes. Cette série d'aciers inoxydables ne peut pas être durcie ou renforcée par traitement thermique, mais peut être renforcée par formage à froid ou écrouissage (voir ASTM A666). L'acier inoxydable austénitique, en particulier l'acier inoxydable austénitique standard, présente un inconvénient potentiel, c'est-à-dire que, par rapport à l'acier inoxydable ferritique et à l'acier inoxydable duplex, il est sujet à la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure.

L'acier inoxydable austénitique de la série 300 ou standard contient généralement 8 % ~ 11 % de nickel et 16 % ~ 20 % de chrome. La structure métallographique de l'acier inoxydable austénitique standard est principalement composée de grains austénitiques et contient une petite quantité (généralement 1 à 5 %) de phase de ferrite δ (Fig. 3). Du fait de la présence de phase ferritique, ces aciers inoxydables austénitiques présentent un peu de magnétisme.

La structure métallographique typique de l'inox forgé 304L est composée de grains austénitiques et de ferrite en bande individuelle © TMR Stainless.

 

Comparé à l'acier inoxydable de la série 300, l'acier inoxydable austénitique de la série 200 a une teneur en Ni plus faible, mais une teneur en Mn et N plus élevée. La résistance et le coefficient d'écrouissage de l'acier inoxydable de la série 200 sont supérieurs à ceux de l'acier inoxydable de la série 300. En raison de la faible teneur en nickel, l'acier inoxydable de la série 200 est parfois utilisé comme substitut bon marché de l'acier inoxydable de la série 300.

La microstructure de l'acier inoxydable austénitique à haute performance est toute phase austénitique sans ferromagnétisme (Fig. 4). Comparé à l'acier inoxydable austénitique standard, l'acier inoxydable austénitique haute performance contient plus d'éléments de nickel, de chrome et de molybdène, et contient généralement de l'azote. Ces aciers inoxydables ont une forte résistance à la corrosion dans des environnements corrosifs tels que les acides forts, les alcalis forts et les milieux à haute teneur en chlorure, y compris l'eau saumâtre, l'eau de mer et l'eau salée. Comparé à l'acier inoxydable austénitique standard, l'acier inoxydable austénitique hautes performances présente une résistance mécanique plus élevée et une meilleure résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte.

Structure métallographique en acier inoxydable austénitique haute performance à 6% Mo, le tout composé de grains austénitiques © TMR Stainless.

 

1.2 Inox ferritique :

La microstructure de l'acier inoxydable ferritique est en phase ferritique. L'acier inoxydable ferritique contient peu ou pas de nickel et est ferromagnétique. Il ne peut pas être durci par traitement thermique. Les propriétés ferromagnétiques de ce type d'acier inoxydable sont similaires à celles de l'acier au carbone. L'acier inoxydable ferritique a une bonne résistance et la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte de chlorure est bien meilleure que l'acier inoxydable austénitique standard de la série 300. Cependant, leur formabilité et leur soudabilité sont médiocres. Leur ténacité n'est pas aussi bonne que celle de l'acier inoxydable austénitique et diminuera avec l'augmentation de l'épaisseur de la section. Avec la diminution de la température, l'acier inoxydable ferritique présentera une transition ductile-fragile évidente. Limitée par ces facteurs, l'utilisation de l'acier inoxydable ferritique est généralement limitée aux produits dont l'épaisseur de paroi est plus faible, tels que les plaques minces, les bandes et les tubes à paroi mince.

 

1.3 Inox duplex :

L'acier inoxydable duplex est composé d'une phase de ferrite et d'une phase d'austénite, chacune représentant environ la moitié. L'acier inoxydable duplex présente de nombreuses caractéristiques de l'acier inoxydable austénitique et ferritique. Bien que le traitement thermique ne puisse pas durcir ces aciers, leur limite d'élasticité est généralement le double de celle de l'acier inoxydable austénitique standard et leur attraction magnétique est proportionnelle à la fraction volumique de la phase de ferrite. La propriété duplex de la structure métallographique de l'acier inoxydable duplex rend sa résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte meilleure que celle de l'acier inoxydable austénitique standard.

 

1.4 Acier inoxydable martensitique :

La microstructure de l'acier inoxydable martensitique est principalement de la martensite, qui peut contenir une petite quantité de phases secondaires telles que la ferrite, l'austénite et le carbure. L'acier inoxydable martensitique est ferromagnétique et similaire à l'acier au carbone. La dureté finale dépend du traitement thermique spécifique. L'acier inoxydable martensitique a une résistance élevée, une bonne résistance à l'usure, une faible ténacité et une température de transition ductile-fragile élevée. Ils sont difficiles à souder et nécessitent généralement un traitement thermique post-soudage. Par conséquent, l'acier inoxydable martensitique est généralement limité aux applications sans soudage. La teneur en chrome de l'acier inoxydable martensitique n'est pas trop élevée. Certains éléments de chrome précipitent sous forme de carbures, d'où une faible résistance à la corrosion, généralement inférieure à l'inox austénitique standard 304/304L. En raison de sa faible ténacité et de sa faible résistance à la corrosion, l'acier inoxydable martensitique est généralement utilisé pour les applications nécessitant une résistance et une dureté élevées, telles que les outils, les fixations et les arbres.

 

1.5 Acier inoxydable trempé par précipitation :

L'acier inoxydable à durcissement par précipitation (PH) peut également être renforcé par un traitement thermique. La caractéristique fondamentale de ce type d'acier inoxydable est que son renforcement partiel est obtenu par un mécanisme de précipitation. De fins précipités intermétalliques sont produits par un traitement thermique de durcissement par vieillissement pour améliorer la résistance. En raison de sa teneur élevée en chrome, l'acier inoxydable à durcissement par précipitation a une meilleure résistance à la corrosion que l'acier inoxydable martensitique et convient aux applications à haute résistance nécessitant une bonne résistance à la corrosion. L'acier inoxydable à durcissement par précipitation est principalement utilisé pour les ressorts, les fixations, les pièces d'avion, les arbres, les engrenages, les soufflets et les pièces de moteur à réaction.

 

2. Composition des phases :

Les éléments d'alliage affectent la relation d'équilibre de phase et ont une forte influence sur la stabilité des phases d'austénite, de ferrite et de martensite. Les éléments ajoutés à l'acier inoxydable peuvent être divisés en éléments formant une phase de ferrite ou en éléments formant une phase d'austénite. L'équilibre des phases dépend de la composition chimique, de la température de recuit et de la vitesse de refroidissement de l'acier. La résistance à la corrosion, la résistance, la ténacité, la soudabilité et la formabilité sont toutes affectées par l'équilibre de phase.

Les éléments formant ferrite contribuent à la formation d'une phase ferrite, tandis que les éléments formant austénite favorisent la formation d'une phase austénite. Le tableau 3 répertorie les éléments courants de formation de phase de ferrite et d'austénite. La qualité de l'acier inoxydable et son application déterminent l'équilibre de phase requis. La plupart des aciers inoxydables austénitiques standard ont une petite quantité de phase de ferrite lors du recuit de mise en solution. Le recuit de mise en solution peut améliorer la soudabilité et la ténacité à haute température. Cependant, si la teneur en phase de ferrite est trop élevée, d'autres propriétés telles que la résistance à la corrosion et la ténacité seront réduites. L'acier inoxydable austénitique haute performance est conçu selon toutes les phases austénitiques dans des conditions de recuit de mise en solution.

 

Pour contrôler la composition de phase de l'acier et donc les propriétés de l'acier, il est nécessaire de maintenir les éléments d'alliage en équilibre. Le diagramme de structure de Schaeffler (Fig. 5) reflète la relation entre la composition chimique de l'acier inoxydable et la structure de phase attendue à l'état de solidification, telle que révélée par la microstructure de la soudure. De cette manière, les utilisateurs peuvent prédire l'équilibre de phase en fonction de la composition chimique donnée. Calculez "l'équivalent nickel" et "l'équivalent chrome" à partir de la composition chimique et dessinez-les sur la figure. La formule des paramètres communs de l'organigramme de Schaeffler est la suivante :

Équivalent nickel{{0}} % Ni plus 30 % C plus 0,5 % Mn plus 30 % N

Équivalent chrome{{0}} % Cr plus % Mo plus 1,5 % Si plus 0,5 % Nb

L'acier inoxydable austénitique haute performance typique contient environ 20 % de Cr, 6 % de Mo, 20 % de Ni et 0,2 % de N, qui se situe dans la zone de phase austénitique monophasée de la figure, près de la "ferritique". " ligne avec un équivalent nickel d'environ 24 et un équivalent chrome d'environ 26. En revanche, la composition chimique de l'acier inoxydable standard (tel que 304) correspond à la zone duplex d'austénite plus ferrite (A plus F) avec une petite quantité de ferrite phase. L'acier inoxydable ferritique se trouve dans la zone de phase ferrite sur la figure, et l'acier inoxydable duplex se trouve dans la zone duplex austénite plus ferrite (A plus F).