Manuel définitif sur l'acier inoxydable : composition, types et entretien

Nuances, composition, structure moléculaire, production et propriétés de l'acier inoxydable

Dans ce guide :

• Comment l'acier inoxydable est-il fabriqué ?
• De quoi est fait l'acier inoxydable ?
• Types d'acier inoxydable
• Nuances d'acier inoxydable
• L'acier inoxydable est-il magnétique ?
• Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable
• Regard technique — microstructure moléculaire de l'acier inoxydable
• Entretien et maintenance

L'acier inoxydable désigne un large groupe d'alliages ferreux résistants à la rouille. Contrairement aux autres alliages de fer, l'inox possède une couche de passivation stable qui le protège de l'air et de l'humidité. Cette résistance à la rouille en fait un choix idéal pour de nombreuses applications : extérieur, milieux aqueux, agroalimentaire, haute température.

Comment l'acier inoxydable est-il fabriqué ?

L'inox peut être moulé (cast) ou travaillé (wrought). La différence principale réside dans la mise en forme finale. L'acier inoxydable moulé est obtenu en coulant le métal liquide dans un moule de forme spécifique. L'acier inoxydable travaillé sort d'une aciérie où des machines de coulée continue produisent des lingots, blooms, brames, dalles. Ces matières premières doivent ensuite être mises en forme par laminage ou forgeage.

Les produits en inox travaillé sont plus courants que les produits moulés.

Les objets en inox moulé sont généralement finis en fonderie ou sous sa supervision. S'ils sont de petits composants, le moulage peut aller vers d'autres usines pour assemblage. L'inox travaillé commence à l'aciérie mais devient produit final dans une autre usine.

De quoi est fait l'acier inoxydable ?

Comme tout acier, l'inox part d'un mélange fer-carbone. Ce qui distingue cette famille : minimum 10,5 % de chrome. Cet élément confère la résistance à l'oxydation. À l'air, le chrome forme une fine couche stable de passivation : l'oxyde de chrome(III) (Cr₂O₃). Cette couche protège l'acier intérieur et se reforme rapidement si la surface est rayée.

Cette couche de passivation diffère du placage. Certains métaux sont plaqués zinc, chrome, nickel pour protection superficielle. Là, un rayure traversant le placage perd la protection. Le chrome dans l'inox offre plus : il recrée son film passif à chaque exposition à l'air. Même profondément rayé, la couche s'auto-répare.

FER + CARBONE = ACIER

+ CHROME = ACIER INOXYDABLE
(AU MOINS 10,5 % CHROME)

Alliages Ferritiques

Chrome
(10,5–18 %)
Carbone
(0,08–0,15 %)

Alliages Ferritiques

Chrome (10,5–18 %)
Carbone (0,08–0,15 %)

Alliages Martensitiques

Carbone
(0,10–1,2 %)
+ Chrome
(12-18 %)

Production peut impliquer trempe ou durcissement à l'air.

Alliages Martensitiques

Carbone (0,10–1,2 %)
+ Chrome (12-18 %)

Production peut impliquer trempe ou durcissement à l'air.

Alliages Austénitiques

+ Chrome
(16 %)
+ Nickel
(8+ %)

Peut contenir molybdène, titane, cuivre.

Alliages Austénitiques

+ Chrome (16 %)
+ Nickel (8+ %)

Peut contenir molybdène, titane, cuivre.

Alliages Duplex

+ Chrome (19+ %)
+ Molybdène
+ faible quantité de nickel

Contient généralement molybdène, cuivre, ou autres éléments d'alliage.

Alliages Duplex

+ Chrome (19+ %)
+ Molybdène
+ faible quantité de nickel

Contient généralement molybdène, cuivre, ou autres éléments d'alliage.

Alliages à Durcissement par Précipitation

+ Chrome
+ Nickel
+ Cuivre et/ou autres éléments

Production doit impliquer techniques de traitement thermique.

Alliages à Durcissement par Précipitation

+ Chrome
+ Nickel
+ Cuivre et/ou autres éléments

Production doit impliquer techniques de traitement thermique.

Types d'acier inoxydable

Il existe plusieurs « familles » d'inox. Chacune a des proportions différentes de fer, chrome, carbone. Certaines contiennent nickel, molybdène, manganèse, cuivre. Les propriétés varient selon la composition, faisant de ce groupe d'alliages un ensemble polyvalent.

Nuances d'acier inoxydable

Les nuances indiquent la famille. Les plus courantes :

• Inox ferritique : 430, 444, 409
• Inox austénitique : 304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Inox martensitique : 420, 431, 440, 416
• Inox duplex : 2304, 2205

Parfois, le choix se fait entre alliages d'une même famille, comme les deux grades austénitiques populaires 304 vs 316. Mais pas toujours : systèmes d'échappement automobiles choisissent entre 304 et 409. Barbecues peuvent être en 304 ou 430.

L'acier inoxydable est-il magnétique ?

Un aimant ne donne pas de réponse définitive. Certains grades sont magnétiques, d'autres non — tout dépend des éléments d'alliage.

Les grades austénitiques (série 3xx) ne sont pas magnétiques. Votre frigo inox sans aimants ni dessins ? Austénitique, dû à la microstructure cristalline.

Les grades martensitiques et ferritiques courants (430) sont magnétiques. Les duplex, mélange austénitique/ferritique, sont légèrement magnétiques. Aimant sur ferritique : tient fermement. Sur duplex : plus facile à faire glisser.

Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable

L'inox est choisi pour sa résistance à la corrosion — mais aussi parce que c'est de l'acier. Résistance, limite d'élasticité, ténacité, dureté, réponse à l'écrouissage, soudabilité, tenue en température font de l'acier un métal incroyablement utile en ingénierie, construction, fabrication, d'autant plus vu son coût. L'ingénieur évalue la charge de travail et les conditions atmosphériques avant de choisir une nuance.

Propriétés de traction

Mesurées par traction. Une éprouvette normalisée est soumise à une force de traction. À la rupture, on mesure : résistance à la traction, limite d'élasticité, allongement, rétrécissement de section.

Dureté

Capacité à résister à l'indentation et l'abrasion. Deux tests courants : Brinell et Rockwell. Brinell : bille d'acier durci forcée sous charge standard, mesure du diamètre de l'empreinte. Rockwell : mesure la profondeur d'indentation. La dureté peut augmenter par écrouissage à froid (work-hardening) ou traitement thermique selon les métaux.

Ténacité

Capacité à se déformer plastiquement sous contrainte localisée. Un acier ténace résiste à la fissuration, qualité très recherchée en ingénierie. Niveau déterminé par test dynamique : éprouvette entaillée pour localiser la contrainte, frappée par pendule. L'énergie absorbée à la rupture se mesure par la perte d'énergie du pendule. Métaux ténaces absorbent plus d'énergie, métaux fragiles moins.

Ferritique

Les inox ferritiques contiennent fer, carbone, 10,5–18 % chrome. Peuvent contenir molybdène ou aluminium en très faibles quantités. Structure cristalline cubique centrée (BCC) — même que fer pur à température ambiante.

De par leur structure, ils sont magnétiques. Leur faible teneur en carbone donne une résistance relativement faible. Autres faiblesses : soudabilité médiocre, résistance à la corrosion réduite. Appréciés en ingénierie pour leur ténacité supérieure. Usages : tuyaux d'échappement, conduites carburant, garnitures architecturales.

Austénitique

Les inox austénitiques ont une structure cubique à faces centrées (FCC) : fer, carbone, chrome, au moins 8 % nickel. Grâce à leur teneur élevée en chrome et nickel, ils sont hautement résistants à la corrosion et non magnétiques. Comme les ferritiques, ils ne durcissent pas par traitement thermique, mais par écrouissage à froid. La teneur élevée en nickel leur permet de bien fonctionner à basse température.

Les deux inox les plus courants — 304 et 316 — sont austénitiques. Leur popularité tient à la facilité de formage et soudage, idéal pour fabrication à haute efficacité. De nombreux sous-groupes austénitiques existent avec variations de carbone. Propriétés affinées par molybdène, titane, cuivre. Usages : éviers de cuisine, cadres de fenêtres, équipements agroalimentaires, cuves chimiques. Aussi mobilier urbain extérieur : bancs, bornes inox, arceaux vélos.

Martensitique

Structure tétragonale centrée (BCT). 12–18 % chrome, teneur en carbone plus élevée (0,1–1,2 %) qu'austénitiques ou ferritiques. Comme la structure BCC ferritique, BCT est magnétique. Utiles quand la résistance prime sur soudabilité ou corrosion. Distinction majeure : durcissables par traitement thermique grâce à leur carbone élevé. Applications : pièces aérospatiales, coutellerie, lames.

Duplex

Nouveau type d'inox. Plus de chrome (19–32 %) et molybdène (jusqu'à 5 %) qu'austénitiques, beaucoup moins de nickel. Parfois appelés austénitico-ferritiques : structure cristalline hybride. Le mélange ~50/50 phases austénitique/ferritique donne des avantages uniques. Plus résistants à la corrosion sous contrainte que les austénitiques, plus ténaces que ferritiques, environ deux fois plus résistants que l'un ou l'autre pur. Avantage clé : résistance à la corrosion égale ou supérieure aux austénitiques face aux chlorures.

Les duplex sont aussi très rentables. Leur résistance et corrosion s'obtiennent avec moins d'éléments d'alliage que les austénitiques équivalents. Usages : pièces exposées aux chlorures (désalination, pétrochimie), construction (ponts, vaisseaux sous pression, barres d'ancrage).

Durcissement par précipitation

Structures cristallines variables, mais toutes contiennent chrome et nickel. Caractéristiques communes : résistance à la corrosion, facilité de fabrication, résistance à la traction extrêmement élevée avec traitement thermique à basse température.

Les alliages austénitiques à durcissement par précipitation ont été largement remplacés par des superalliages plus résistants. Cependant, les demi-austénitiques continuent en aérospatiale et nouvelles applications. Les martensitiques à durcissement par précipitation sont plus résistants que les martensitiques standards, utilisés pour barres, fils, tiges.

Regard technique : microstructure moléculaire de l'acier inoxydable

En se solidifiant, les métaux cristallisent en grains. Cette structure cristalline détermine de nombreuses propriétés mécaniques. De nombreux facteurs l'influencent.

Les types d'atomes dans l'alliage modifient la structure via les molécules formées. Les pourcentages de chaque élément déterminent les arrangements atomiques.

La température affecte profondément la forme du réseau cristallin. Différentes structures apparaissent à des températures spécifiques. Les alliages ont des diagrammes de phases montrant les types de grains selon température et pourcentages d'éléments clés.

Notre diagramme fer-carbone illustre l'influence de la température et du carbone sur la formation des grains dans l'acier. Trois phases de formation du fer :

• Ferrite, ou fer alpha (α) : grain standard sous 912 °C.
• Austénite, ou fer gamma (γ) : grains plus densément compactés, entre 912–1394 °C.
• Fer delta (δ) : au-dessus de 1395 °C, avant fusion à 1538 °C. Phase δ ressemble à α-fer (ferrite).

L'ajout de carbone influence la cristallisation, stabilisation et interaction des grains de base. La température influence l'absorption du carbone. La phase austénite à haute température est saturée en carbone, molécules densément compactées. À d'autres températures, tout le carbone n'est pas absorbé. D'autres structures moléculaires se forment. Ex. : Fe₃C (cémentite) fréquent. Pur, la cémentite est classée céramique : dure, cassante, transmet ces attributs au métal final. Le graphite peut aussi se former au niveau moléculaire. Sa forme affecte le comportement sous choc. Nodules de graphite ronds glissent les uns sur les autres à l'impact, se déforment sans rompre. À l'inverse, graphite en feuillets entraîne cisaillement le long des plans de feuillets. Vitesse de refroidissement, traitements thermiques, travail du métal affectent aussi taille et forme des grains.

Les aciers austénitiques ont un réseau austénite avec fer γ. Sur le diagramme fer-carbone, ce réseau est normalement à haute température. Mais l'ajout de nickel et/ou manganèse permet à l'austénite de persister au refroidissement. La microstructure austénitique est « cubique à faces centrées » (FCC). Les molécules FCC confèrent des propriétés particulières.

Microstructures cubiques centrées vs faces centrées

Le métal est un cristal à réseau moléculaire. Chaque cellule du réseau est faite d'atomes. Le nombre d'atomes par cellule et leurs connexions changent le comportement du réseau sous contrainte. Réseaux de base : primitif, centré, faces centrées.

FORMES DE BASE DES CELLULES

Cubique
Primitif

• Chaque atome dans ce cube primitif siège au coin de la cellule. Chaque atome est un point de connexion dans le réseau.
• Chaque atome de coin est partagé équitablement avec les cellules adjacentes. Chaque atome fait donc partie de huit cubes adjacents.
• La cellule unitaire contient 1 atome au total. Chaque atome de coin partagé avec 8 cubes → 1/8 par atome dans la cellule. 8 × 1/8 = 1 atome total.

Cubique
Centré
(BCC)

• Comme le cube primitif, atomes à chaque coin.
• En plus, un atome au centre de la cellule. Cet atome n'est partagé avec aucune autre cellule : 8 cellules jointes au réseau, une seule à l'atome.
• La cellule unitaire contient 2 atomes : 8 atomes × 1/8 (structure primitive) + atome central.
• Fer alpha (ferrite) et fer delta sont BCC.

Cubique
Faces Centrées (FCC)

• Atomes à chaque coin + atome au centre de chaque face du cube.
• Atomes « faces centrées » partagés avec 2 cellules → contribuent 1/2 atome chacun.
• La cellule unitaire contient 4 atomes : 8 × 1/8 (coins) + 6 × 1/2 (faces).
• Fer gamma (austénite) est FCC.

L'acier, sans nickel ni manganèse, atteint une structure FCC stable entre 912–1394 °C (1674–2541 °F). À ces températures, le carbone imprègne chaque cellule.

Cependant, cet acier, refroidi normalement (non trempé), redevient ferritique BCC. Il ne conserve pas la structure FCC.

Les réseaux BCC sont plus vulnérables à certains efforts mécaniques que les FCC plus densément compactés. Moins d'atomes par cellule pour maintenir le réseau. Maintenir la FCC à température ambiante préserve cette résistance accrue. Généralement obtenu par ajouts d'éléments d'alliage.

Microstructures des aciers ferritiques, austénitiques, martensitiques et duplex

Acier ferritique : BCC courant. Devient cassant à températures cryogéniques, perd rapidement sa résistance à haute température, magnétique. Propriétés dues à la forme BCC.

Dans chaque cellule BCC « lâchement » compactée, tous les électrons ne trouvent pas de partenaire à spin opposé. Ces électrons non appariés créent le magnétisme. Avec seulement deux atomes renforçant chaque cellule, l'acier ferritique casse plus facilement, surtout en environnements chauds ou froids.

Acier austénitique : FCC à température ambiante grâce au nickel. Plus ductile que FCC (sic — plus ductile que ferritique), même cryogénique. Meilleure tenue en chaleur. Non magnétique. Propriétés dues à la forme FCC.

Tous les réseaux ont des « systèmes de glissement », plans de cisaillement où le réseau glisse sans rompre les cellules. Réseaux cubiques = grande symétrie = nombreux plans de glissement. Contre-intuitif : le cristal FCC plus dense a plus de plans de glissement que le BCC lâche. Cristaux denses glissent plus aisément. Chaque cellule a plus de masse atomique et résistance, tient mieux.

La déformation plastique au niveau micro soutient la ductilité au niveau macro. C'est pourquoi les structures FCC ont une résilience plus large. Structures ferritiques plus susceptibles d'éclater à l'impact, ou de se fracturer à l'étirement, surtout en environnements difficiles.

Les aciers austénitiques sont les seuls types inox qui ne deviennent pas cassants et facilement fracturables en applications cryogéniques. L'austénitique garde la plupart de sa ténacité et allongement même sous -180 °C (-292 °F). La fragilisation à basse température caractérise ferritiques et duplex. Après une température de transition, ils risquent d'éclater sous contrainte.

Aciers martensitiques : type de grain de surface très différent. Pas de microstructure cubique simple. La martensite se forme par trempe : refroidissement rapide de la surface. Le choc thermique fait « gonfler » le réseau en gelant. Microstructures martensitiques sous contrainte, forme tétragonale centrée, ne s'alignent pas uniformément. Permet surfaces très dures, mais plus fragiles, même à température ambiante.

Aciers duplex : ajout récent aux variétés d'inox. Mélange de microstructures. Couches intercalées de ferrite et austénite = propriétés des deux. Pourcentages plus bas de nickel/manganèse nécessaires = coût inférieur aux austénitiques.

Entretien et maintenance de l'acier inoxydable

Bien que résistant à la rouille, l'inox n'est pas invulnérable. Sa résistance repose sur sa couche de passivation, perturbable chimiquement. Sels, acides, rayures retenant l'humidité, dépôts de fer peuvent rendre l'inox vulnérable à la rouille.

Prudence à l'installation : outils en acier modifient la chimie de surface en laissant des dépôts de fer qui fragilisent la surface. Tout contact avec l'acier doit être nettoyé. Éviter rayures profondes retenant l'humidité.

L'entretien des surfaces inox n'est pas difficile mais doit être régulier si l'acier subit chocs, rayures, sel, fer, ou autres produits chimiques. Mobilier urbain extérieur : deux fois par an.

Le nettoyage dépend du type de problème. Stratégies différentes pour décoloration, rouille, graisse, traces de doigts, ciment, calcaire. Notre article détaillé décrit les étapes. Agir vite face à la corrosion. Détectée tôt, du WD-40 ou lubrifiant peut suffire à éliminer la rouille.

Avec un entretien approprié, les propriétés qui rendent l'inox si attractif — la ténacité de l'acier unie à la résistance à la corrosion et l'éclat du chrome — restent un atout sans souci pendant des années.

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