Les aciers inoxydables

Les aciers inoxydables (Stainless Steels ou SS) forment une famille d'alliages à base de fer, dont la caractéristique principale est la résistance à l'oxydation et à certains types de corrosion.

La passivation

C'est le chrome (Cr), qui pour des teneurs >10-16% donne à l'alliage sa résistance à l'oxydation, en formant en surface une fine couche continue d'oxyde (quelques nanomètres de Cr₂O₃) de protection, également nommée couche de passivation.
La teneur en chrome minimum requise pour permettre la formation de la couche de passivation dépend de l'alliage.

Pour que cette couche de passivation se forme, il faut également que le métal soit exposé à de l'oxygène. Si, pour quelque raison, la couche de passivation se trouve détruite, l'oxygène environnant pourra la reconstituer immédiatement, maintenant en état la protection du matériau. Mais il arrive que l'acier soit exposé à un environnement appauvri en oxygène (sous une couche de dépôt biologique, sous une couche de peinture, sous un joint, ...); la couche de passivation ne pouvant alors plus être entretenue, une corrosion locale peut se développer.

Rôle du carbone

Un des sujets de préoccupation principaux dans l'usage des aciers inoxydables est leur caractère hétérogène (formation de grains) qui affecte leurs propriétés mécaniques. Ce phénomène est aggravé par la présence de carbone.
Le carbone tend à faire précipiter le chrome sous forme de carbures. le plus courant d'entre eux est Cr₂₃C₆. La forte proportion de chrome par rapport au carbone dans ce composé, explique qu'une faible teneur en carbone peut avoir des effets importants sur la teneur locale en chrome.
Les carbures se forment principalement dans l'espace inter granulaire, appauvrissant la matrice à la surface des grains et diminuant sa résistance à l'oxydation.

Les traitements thermiques jouent un rôle important pour la répartition du carbone dans le matériau. Ceux-ci dépendent de la nature de l'acier. Un traitement thermique à haute température (>1000°C) suivi d'un refroidissement rapide pourra permettre de dissoudre le carbone dans la matrice du métal et le répartir de manière homogène. Par contre une exposition prolongée à des températures plus modérées (500 - 900°C) permettra au carbone de se rassembler aux joints de grains.

Les types d'acier inoxydables

Metallurgie

Le fer cristallise selon deux formes principales:

• ferrite (notée alpha), forme cubique centrée
• austenite (notée gamma), forme cubique faces centrées

En fonction de la teneur en chrome, le domaine de température où apparait chaque forme cristalline évolue. La présence de chrome favorise fortement la formation de ferrite (phase alpha). Le domaine de l'austénite est assez restraint, limité aux faibles teneurs en chrome. Mais l'addition de nickel permet d'étendre le domaine de formation d'austénite jusqu'à 20% de chrome (pour 8% de nickel).
Alors qu'un refroidissement lent d'austénite en dessous de 900°C conduit à sa transformation en ferrite, un refroidissement rapide (si >0,05% de carbone) conduit à une forme cristalline nouvelle, plus dure, nommée martensite en hommage au metallurgiste allemand Adolf Martens.

Les Ferritiques

Types:  AISI 405, 430, 446
Leur teneur en chrome va de 12 à 30% et ne contiennent pas de nickel
Si on les maintient à des températures de 450°C et au delà, ils se fragilisent par grossissement des grains, formation de phase sigma (45%Cr, 55%Fe) et de phase alpha' (90%Cr, 10%Fe)
Les aciers à 17% de chrome résistent bien à l'oxydation, mais sont difficilement soudables
Les aciers contenant plus de 20% de chrome ont une excellente résistance à l'oxydation à haute température; ils sont dits réfractaires.
Usages:
chimie pétrochimie et industrie alimentaire

Les Austenitiques

Types: AISI 301, 304, 316, 321, 347
Les types 304 et 316 sont les plus courants.

Ils contiennent de 7 à 20% de chrome et de 7 à 12% de nickel
Le plus courant est le 18-8 (18%Cr,8%Ni)

Leur résistance à la corrosion est excellente même à haute température (900°C) et leurs propriétés mécaniques restent satisfaisantes même à très basse température.

Les grains ont tendance à grossir au chauffage, sans que cela n'entraîne de fragilisation.

Ils sont sensibles à la précipitation des carbures de chrome qui affecte la résistance mécanique et à l'oxydation; une faible teneur en carbone, l'addition de titane et de niobium ainsi que l'hypertrempe (chauffage vers 1000°C suivi d'un refroidissement à l'eau), permettent de limiter ce phénomène. Inversement une teneur élevée en carbone procure de meilleures propriétés mécaniques aux hautes températures. Des grades se différenciant par leur teneur en carbone sont proposés:
304 316: <0,08 %C
304L, 316L: <0,03 %C
304UL, 316UL:<0,02 %C
304H, 316H: 0,04 - 0,1 %C

L'addition de molybdène (2 à 3% dans le 316) augmente leur résistance à la corrosion, en particulier dans les milieux chlorés.

Usages:

Industrie chimique et alimentaire (304, 316)
Applications cryogèniques (304)
Applications en milieu marin (316)

Les Martensitiques

Types: AISI 410, 420, 440B
leur teneur en chrome va de 12 à 17% et ne contiennent pas de nickel
leur résistance mécanique est élevée, mais leur résistance à la corrosion est la moins bonne des aciers inox, du fait de leur teneur faible en chrome et de leur teneur élevée en carbone.
Usages:
- arbres de pompe
- ressorts
- soupapes

Les Austeno-Ferritiques (Duplex)

Ils contiennent de 18 à 28% de chrome et de 6 à 9% de nickel.
Excellent compromis entre les austenitiques et les ferritiques, leur limite d'élasticité est très supérieure à celle des auténitiques sans avoir la fragilité des ferritiques.
Leur résistance à la corrosion est excellente, en particulier la corrosion sous contrainte.