Demandez à un ingénieur : maîtriser les propriétés de l'acier inoxydable austénitique

L'acier inoxydable austénitique : polyvalent et résistant, même à températures cryogéniques ou élevées

L'acier inoxydable est dit « inoxydable » pour sa résistance à la rouille. L'acier contient fer et carbone en certains pourcentages : l'ajout de chrome le transforme en inox. De ces trois éléments de base, métallurgistes ont créé une vaste gamme d'inox. Types de métaux dans l'alliage, instructions d'alliage, traitements thermiques, post-production entrent dans la description de chaque grade. Ces spécifications se classent en quatre sous-types majeurs : austénitique, ferritique, martensitique, duplex. Tous utiles, mais l'austénitique se distingue par son utilité supérieure. 70 % des articles en inox sont en acier austénitique.

Le chrome rend l'inox résistant à la corrosion en s'oxydant vite. Cela forme un joint, ou « couche passive », protégeant le métal à base de fer de la rouille. L'inox austénitique a un élément d'alliage additionnel, le nickel, lui donnant force et ductilité.

Propriétés de l'acier inoxydable austénitique

Nombreuses propriétés utiles :

• Hautement résistant à la corrosion
• Durable
• Formable
• Soudable
• Ne devient pas cassant à températures cryogéniques
• Gamme de résistance à chaud plus large que les autres types d'inox
• Dilatation thermique plus grande que martensitique et ferritique
• Conductivité thermique plus faible que grades martensitiques
• Généralement non magnétique ; faiblement magnétique si écroui à froid

Ces propriétés rendent l'inox austénitique polyvalent et idéal pour : cuisines et équipements agroalimentaires, laboratoires et hôpitaux, mobilier et revêtements extérieurs, fours et fourneaux, échangeurs de chaleur, et plus. La série 300 commerciale courante, incluant 304 et 316, sont des aciers austénitiques.

L'acier austénitique a ces propriétés grâce à sa structure moléculaire. Mais il est coûteux de créer et maintenir les molécules d'austénite dans l'acier. Ces aciers ne sont donc utilisés que où leurs propriétés améliorées sont nécessaires.

Microstructure austénitique

Quand les métaux se solidifient depuis l'état fondu, ils cristallisent et forment des grains s'attachant en réseau. Cette structure cristalline détermine beaucoup des propriétés mécaniques.

Plusieurs facteurs influencent cette microstructure : matériaux dans le réseau, température et vitesse de refroidissement, traitement thermique postérieur. Les alliages austénitiques ont une « microstructure cubique à faces centrées ». Ce réseau est fait de cellules densément compactées. Les molécules d'austénite à faces centrées n'apparaissent dans les aciers doux que quand le fer est fondu. En ajoutant du nickel à l'alliage, cette structure se maintient même métal froid.

Les structures cubiques à faces centrées ont des atomes à chaque coin de la cellule, plus au centre de chaque face du cube. Ce sont les atomes sur les faces qui donnent à l'acier austénitique ses propriétés. La densité d'atomes par cellule donne la résistance. Beaucoup d'autres aciers et inox ont des structures moins denses sans atome au centre des faces.

L'inox austénitique est non-magnétique car chaque atome dans la cellule trouve un pair à charge opposée.

Acier inoxydable austénitique : adapté à la cryogénie

Les structures cubiques à faces centrées sont plus robustes aux températures extrêmes grâce à la force supplémentaire des atomes additionnels par cellule.

Les aciers austénitiques sont les seuls types d'inox qui ne deviennent pas cassants et facilement fracturables en applications cryogéniques. Même sous -180 °C (-292 °F), ce matériau garde sa ténacité et son allongement. Frappé, les molécules glissent les unes sur les autres sans se briser.

En comparaison, les structures cubiques à corps centré montrent généralement une « transition » de température en dessous de laquelle le matériau se brise sous contrainte mécanique. C'est l'embrittlement à basse température.

Tolérance à la chaleur ou résistance à chaud

Quand les métaux chauffent, ils ramollissent jusqu'à leur point de fusion. Ceux qui ramollissent moins vite ont une plus grande résistance à chaud. L'inox austénitique commence à perdre sa résistance entre 480–540 °C (900–1 000 °F) mais moins vite que les autres types. Températures de service continu pour martensitique et ferritique : 700–815 °C (1 300–1 500 °F). Température max service continu pour austénitique 310 : 1 150 °C (2 100 °F).

La complexité des métaux

Les métaux tirent leurs propriétés uniques de leur formation de réseau cristallin atomique. Ces grains sont influencés par de nombreux aspects de la production du métal.

L'acier naît de l'alliance fer-carbone, donnant un alliage fort, ductile, mais vulnérable à la rouille. Le chrome ajoute une couche d'oxyde passive prévenant la rouille. Traité thermiquement entre 910–1 390 °C (1 674–2 541 °F), le carbone diffuse dans le réseau et l'inox a plus de ductilité et résistance. Le seul moyen de maintenir cette structure à température ambiante est d'avoir nickel et/ou manganèse dans l'alliage. Ces ajouts fournissent l'échafaudage chimique pour les cellules cubiques à faces centrées. Avec tous ces éléments, l'inox austénitique est créé : non-magnétique, tolérant chaud et froid, ductile, soudable.

Les aciers austénitiques résilients fonctionnent dans de nombreux environnements industriels. Leurs propriétés mécaniques en font le choix le plus populaire des grades inox. Cependant, nickel et manganèse ajoutés rendent l'austénitique plus cher : les nouveaux duplex, intercalant austénite et ferrite, ont certaines propriétés des deux. Moyen moins cher d'avoir certains avantages austénitiques en environnements non extrêmes. Mais pour cryogénie et applications thermiques intenses (chaudières, échangeurs, lignes vapeur), l'inox austénitique restera le choix le plus populaire.