Un guide complet sur l'acier inoxydable

Nuances d'acier inoxydable, composition, structure moléculaire, production et propriétés

Dans ce guide :

• Comment l'acier inoxydable est-il fabriqué ?
• De quoi est composé l'acier inoxydable ?
• Types d'acier inoxydable
• Nuances d'acier inoxydable
• L'acier inoxydable est-il magnétique ?
• Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable
• Un aspect technique :la microstructure moléculaire de l'acier inoxydable
• Entretien et maintenance

L'acier inoxydable est le nom commun d'un grand groupe d'alliages ferreux résistants à la rouille. Contrairement aux autres alliages de fer, l'acier inoxydable possède une couche de passivation stable qui le protège de l'air et de l'humidité. Cette résistance à la rouille en fait un bon choix pour de nombreuses applications, y compris les utilisations extérieures, aqueuses, de restauration et à haute température.

Comment est fabriqué l'acier inoxydable ?

L'inox peut être coulé ou forgé. La principale différence réside dans la façon dont il est transformé en un produit final. Acier inoxydable coulé est fabriqué en versant du métal liquide dans un récipient de moulage avec une forme spécifique. Acier inoxydable forgé commence dans une aciérie, où des coulées continues transforment l'acier inoxydable en lingots, blooms, billettes ou brames. Ces matières premières de fabrication doivent ensuite être façonnées par d'autres travaux. Ils sont réchauffés et retravaillés à l'aide de techniques de laminage ou de martelage.

Les produits en acier inoxydable forgé sont plus courants que les produits en acier inoxydable coulé.

Les objets coulés en acier inoxydable sont généralement fabriqués et finis soit dans une fonderie, soit sous la supervision de la fonderie. S'il s'agit d'un petit composant d'un produit plus grand, le moulage peut être acheminé vers d'autres usines pour l'assemblage. L'acier inoxydable forgé commence dans une aciérie, mais est transformé en produit final dans une autre usine.

De quoi est fait l'acier inoxydable ?

Comme tout acier, l'inox est à l'origine un mélange de fer et de carbone. Ce qui distingue cette famille d'alliages, c'est que l'inox contient également un minimum de 10,5 % de chrome. Cet élément confère à l'inox sa résistance caractéristique à l'oxydation. Lorsque l'acier inoxydable est exposé à l'atmosphère, le chrome se combine avec l'oxygène pour former une couche de passivation mince et stable d'oxyde de chrome (III) (Cr₂ O₃ ). La couche de passivation protège l'acier intérieur de l'oxydation et se reforme rapidement si la surface est rayée.

Cette couche de passivation est différente du placage. Certains métaux sont plaqués de zinc, de chrome ou de nickel pour la protection de surface. Dans ces cas, les avantages du revêtement sont perdus une fois qu'une rayure pénètre dans le placage. Le chrome à l'intérieur de l'acier inoxydable offre plus que cette protection de surface. Il crée son film passif chaque fois qu'il est exposé à l'air. Par conséquent, même si l'inox est profondément rayé, la couche de passivation s'auto-guérit.

FER + CARBONE =ACIER

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

La production peut impliquer une trempe ou une trempe à l'air.

Alliages martensitiques

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

La production peut impliquer une trempe ou une trempe à l'air.

Alliages austénitiques

+ Chrome
(16 %)
+ Nickel
(8+ %)

Peut contenir du molybdène, du titane ou du cuivre.

Alliages austénitiques

+ Chrome (16 %)
+ Nickel (8+ %)

Peut contenir du molybdène, du titane ou du cuivre.

Alliages duplex

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

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

Alliages duplex

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

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

Alliages durcissant par précipitation

+ Chrome
+ Nickel
+ Cuivre et/ou autres éléments

La production doit impliquer des techniques de traitement thermique.

Alliages à durcissement par précipitation

+ Chrome
+ Nickel
+ Cuivre et/ou autres éléments

La production doit impliquer des techniques de traitement thermique.

Types d'acier inoxydable

Il existe plusieurs « familles » d'inox. Chacune de ces familles a des proportions différentes de fer, de chrome et de carbone. Certains contiennent d'autres éléments, comme le nickel, le molybdène, le manganèse ou le cuivre. Les propriétés de ces aciers varient selon leur teneur, ce qui en fait un groupe d'alliages polyvalent.

Nuances d'acier inoxydable

Les nuances donnent une indication sur la famille d'un acier inoxydable particulier. Les notes les plus courantes sont :

• 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, les ingénieurs choisissent entre des alliages de la même famille, comme dans les deux nuances commerciales populaires d'acier inoxydable austénitique, 304 contre 316. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. Les systèmes d'échappement automobiles choisissent souvent entre 304 et 409. Les grilles de barbecue peuvent être fabriquées en 304 ou 430.

L'acier inoxydable est-il magnétique ?

Utiliser un aimant pour déterminer si le métal devant vous est inoxydable ne vous donnera pas de réponse définitive. Certaines nuances et certains types d'acier inoxydable sont magnétiques et d'autres non. Tout dépend des différents éléments de l'alliage.

Les aciers inoxydables austénitiques (série 3xx) ne sont pas magnétiques. Votre réfrigérateur en acier inoxydable qui est exempt d'aimants et d'art de réfrigérateur ? Inox austénitique dû aux microstructures des cristaux. (Lire plus ci-dessous dans notre section technique.)

Les aciers inoxydables martensitiques et ferritiques les plus courants, comme le 430, sont magnétiques. Les aciers duplex, qui sont un mélange d'aciers austénitiques et ferritiques, sont généralement légèrement magnétiques. Un aimant sur l'acier ferritique tient fermement. Sur le duplex encore, il pourrait être plus facile de perturber et de glisser.

Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable

L'acier inoxydable est généralement choisi parce qu'il résiste à la corrosion, mais il est aussi choisi parce qu'il est en acier. Des propriétés telles que la résistance, le rendement, la ténacité, la dureté, la réponse à l'écrouissage, la soudabilité et la tolérance à la chaleur font de l'acier un métal incroyablement utile dans l'ingénierie, la construction et la fabrication, en particulier compte tenu de son coût. Un ingénieur considère la charge de travail et les conditions atmosphériques de l'acier inoxydable avant de décider d'une nuance.

Propriétés de traction

Les propriétés de traction des métaux sont mesurées par traction. Une barre de traction représentative est soumise à une force de traction, également connue sous le nom de charge de traction. En cas de rupture, la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement et la réduction de surface sont mesurés.

Dureté

La dureté est la capacité de l'acier à résister à l'indentation et à l'abrasion. Les deux tests de dureté les plus courants sont Brinell et Rockwell. Dans le test Brinell, une petite bille d'acier trempé est forcée dans l'acier par une charge standard, et le diamètre de l'empreinte résultante est mesuré. Le test Rockwell mesure la profondeur de l'indentation. La dureté peut être augmentée dans certains métaux par travail à froid, également appelé écrouissage. Dans certains métaux, la dureté peut être augmentée par un traitement thermique.

Résistance

La ténacité est la capacité de l'acier à céder plastiquement sous des contraintes très localisées. Un acier dur est résistant à la fissuration, ce qui fait de la ténacité une qualité hautement souhaitable utilisée dans les applications d'ingénierie. Le niveau de ténacité est déterminé à l'aide d'un essai dynamique. Une barre d'échantillon est entaillée pour localiser la contrainte, puis frappée par un pendule oscillant. L'énergie absorbée en cassant la barre d'échantillon est mesurée par la quantité d'énergie que le pendule perd. Les métaux durs absorbent plus d'énergie, tandis que les métaux fragiles en absorbent moins.

Ferritique

Les aciers inoxydables ferritiques contiennent du fer, du carbone et 10,5 à 18 % de chrome. Ils peuvent contenir d'autres éléments d'alliage tels que le molybdène ou l'aluminium, mais généralement en très petites quantités. Ils ont une structure cristalline cubique centrée (BCC), la même que le fer pur à température ambiante.

En raison de leur structure cristalline, les aciers inoxydables ferritiques sont magnétiques. Leur teneur en carbone relativement faible produit une résistance proportionnellement faible. D'autres faiblesses du type ferritique comprennent une mauvaise soudabilité et une résistance à la corrosion réduite. Ils sont cependant souhaitables pour les applications d'ingénierie en raison de leur ténacité supérieure. Les aciers inoxydables ferritiques sont souvent utilisés pour les tuyaux d'échappement des véhicules, les conduites de carburant et les garnitures architecturales.

Austénitique

Les aciers inoxydables austénitiques ont une structure cristalline cubique à faces centrées (FCC) et sont composés de fer, de carbone, de chrome et d'au moins 8 % de nickel. En raison de leur teneur élevée en chrome et en nickel, ils sont très résistants à la corrosion et amagnétiques. Comme les aciers inoxydables ferritiques, les aciers inoxydables austénitiques ne peuvent pas être durcis par traitement thermique. Cependant, ils peuvent être durcis par travail à froid. La teneur élevée en nickel des aciers inoxydables austénitiques les rend capables de bien fonctionner dans les applications à basse température.

Les deux aciers inoxydables les plus courants, le 304 et le 316, sont tous deux des nuances austénitiques. Le principal moteur de la popularité des aciers inoxydables austénitiques est la facilité avec laquelle ils peuvent être formés et soudés, ce qui les rend idéaux pour une fabrication à haut rendement. Il existe de nombreux sous-groupes d'aciers inoxydables austénitiques avec de grandes variations de teneur en carbone. Les propriétés sont encore ajustées par l'ajout d'éléments d'alliage tels que le molybdène, le titane et le cuivre. Les aciers inoxydables austénitiques sont fréquemment utilisés pour produire des éviers de cuisine, des cadres de fenêtres, des équipements de transformation des aliments et des réservoirs de produits chimiques. Ils sont également couramment utilisés pour l'aménagement de sites extérieurs tels que des bancs, des bornes en acier inoxydable et des supports à vélos.

Martensitique

Les aciers inoxydables martensitiques ont une structure tétragonale centrée (BCT). Ils contiennent 12 à 18 % de chrome et ont une teneur en carbone plus élevée (0,1 à 1,2 %) que les aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques. Comme la structure ferritique BCC, BCT est magnétique. Les aciers inoxydables martensitiques sont très utiles dans les situations où la résistance de l'acier est plus importante que sa soudabilité ou sa résistance à la corrosion. La principale distinction est que l'acier inoxydable martensitique peut être durci par traitement thermique en raison de sa forte teneur en carbone. Cela les rend utiles pour un certain nombre d'applications, notamment les pièces aérospatiales, les couverts et les lames.

Duplex

Les aciers inoxydables duplex sont le type d'acier inoxydable le plus récent. Ils contiennent plus de chrome (19 à 32 %) et de molybdène (jusqu'à 5 %) que les aciers inoxydables austénitiques, mais nettement moins de nickel. Les aciers inoxydables duplex sont parfois appelés austéno-ferritiques car ils ont une structure cristalline hybride ferritique et austénitique. Le mélange à peu près moitié-moitié des phases austénitique et ferritique dans les aciers inoxydables duplex lui confère des avantages uniques. Ils sont plus résistants à la fissuration par corrosion sous contrainte que les nuances austénitiques, plus résistants que les nuances ferritiques et environ deux fois plus résistants qu'une forme pure de l'un ou l'autre. Le principal avantage des aciers inoxydables duplex est une résistance à la corrosion égale ou supérieure aux nuances austénitiques en cas d'exposition aux chlorures.

Les aciers inoxydables duplex sont également très rentables. La solidité et la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable duplex sont obtenues avec une teneur en alliage inférieure à celle des nuances austénitiques équivalentes. Les aciers inoxydables duplex sont régulièrement utilisés pour produire des pièces pour des applications exposées aux chlorures dans l'industrie du dessalement et de la pétrochimie. Ils sont également utilisés dans les industries du bâtiment et de la construction pour les ponts, les récipients sous pression et les tirants.

Durcissement par précipitation

Les aciers inoxydables à durcissement par précipitation peuvent avoir une gamme de structures cristallines, cependant, ils contiennent tous à la fois du chrome et du nickel. Leurs caractéristiques communes sont la résistance à la corrosion, la facilité de fabrication et une résistance à la traction extrêmement élevée avec un traitement thermique à basse température.

Les alliages austénitiques à durcissement par précipitation ont pour la plupart été remplacés par des superalliages à plus haute résistance. Cependant, les aciers inoxydables semi-austénitiques à durcissement par précipitation continuent d'être utilisés dans les applications aérospatiales, et même appliqués à de nouvelles formes. Les aciers inoxydables martensitiques à durcissement par précipitation sont plus résistants que les nuances martensitiques ordinaires et sont fréquemment utilisés pour produire des barres, des tiges et des fils.

Un regard technique :la microstructure moléculaire de l'acier inoxydable

Lorsque les métaux gèlent hors de l'état fondu, ils cristallisent et forment des grains. Cette structure cristalline détermine de nombreuses propriétés mécaniques du métal. De nombreux facteurs influencent cette microstructure.

Les types d'atomes dans un alliage modifient la structure en raison des molécules formées par ces types atomiques. Les pourcentages de chaque matériau déterminent également les arrangements formés par les atomes.

La température a un effet profond sur la forme du réseau cristallin d'un métal. Différentes structures commencent à se former à des températures spécifiques. Les alliages ont des tables de phase qui montrent quels types de grains sont communs à différentes températures et avec différents pourcentages d'éléments importants.

Notre diagramme de phase fer-carbone illustre la manière dont la température et le carbone affectent la formation de grains dans l'acier. Il montre trois phases de formation du fer :

• La ferrite, ou fer alpha, (α) est le grain standard formé à des températures inférieures à 912 °C.
• L'austénite, ou fer gamma (γ), a des cristaux de grains plus denses et apparaît entre 912 et 1 394 °C.
• Le fer delta (δ) se forme à des températures supérieures à 1 395 °C, avant que le fer ne se transforme en liquide à 1 538 °C. La phase de fer delta ressemble plus étroitement au fer α ou à la ferrite.

L'ajout de carbone influence la façon dont les grains de base de l'acier se cristallisent, se stabilisent et interagissent les uns avec les autres. La température influence la façon dont le carbone est absorbé. La phase d'austénite à haute température est saturée de carbone, avec des molécules de métal densément emballées. A d'autres températures, tout le carbone n'est pas absorbé. Il crée d'autres structures moléculaires. Par exemple, il est courant qu'un alliage fer-carbone contienne Fe₃ Molécules de cémentite C. A l'état pur, la cémentite est classée parmi les céramiques :elle est dure et cassante, et c'est elle qui confère ces attributs au métal final. Le graphite peut également se former au niveau moléculaire. La forme de ce graphite peut affecter le comportement du métal lorsqu'il est frappé. Les nodules de graphite ronds peuvent glisser les uns sur les autres lorsqu'ils sont touchés, se déformant mais ne se cassant pas. En comparaison, un métal avec beaucoup de graphite feuilleté peut se cisailler le long des limites des flocons lorsqu'il est frappé. La rapidité avec laquelle un métal est refroidi, et s'il est traité thermiquement ou travaillé, affecte également la taille et la forme du grain.

Les aciers austénitiques sont ceux qui ont un réseau d'austénite avec du fer γ. Sur le diagramme de phase fer-carbone, ce réseau se trouve normalement à des températures élevées. Cependant, l'ajout de nickel et/ou de manganèse permet à l'austénite de rester pendant que l'acier refroidit. La microstructure austénitique est connue sous le nom de « cubique à faces centrées ». Les molécules cubiques à faces centrées confèrent des propriétés particulières au métal.

Microstructures cubiques centrées sur le corps ou centrées sur la face

Le métal est un cristal constitué d'un réseau moléculaire. Chaque cellule d'un réseau est composée d'atomes. Le nombre d'atomes dans chaque cellule du réseau et la façon dont ils se connectent les uns aux autres modifient le comportement de ce réseau sous contrainte. Les treillis de base sont primitifs, centrés sur le corps et centrés sur la face.

FORMES CELLULAIRES DE BASE

Primitive
Cubique

• Chaque atome de ce cube primitif se trouve à un coin de la cellule. Chaque atome est un point de connexion dans le réseau.
• Chaque atome de coin est partagé à parts égales avec les cellules qui l'entourent. Par conséquent, chaque atome fait partie de huit cubes adjacents.
• La cellule unitaire contient 1 atome au total. Étant donné que chacun des atomes de coin est partagé avec huit cubes adjacents, seul 1/8 de chaque atome se trouve à l'intérieur de la cellule primitive.
  8 x 1/8e morceau de chaque atome d'angle =1 atome au total.

Corps-
Centré
Cubique (BCC)

• Comme la forme cubique primitive, il y a des atomes à chaque coin de la cellule.
• De plus, un atome se trouve au milieu de la cellule. Cet atome n'est partagé par aucune autre cellule :il y a 8 cellules jointes au réseau et une seule à l'atome.
• La cellule unitaire contient 2 atomes au total :
  8 atomes x 1/8 part par atome, comme dans la structure cubique primitive, plus l'atome au centre.
• Le fer alpha (ferrite) et le fer delta sont tous deux des métaux BCC.

Centré sur le visage
Cubique (FCC)

• La structure cubique à faces centrées a des atomes à chaque coin de la cellule et en plus un atome au centre de chaque face du cube.
• Les atomes centrés sur la "face" ne sont partagés qu'avec deux cellules, et donc chacun contribue à la moitié de la valeur d'un atome.
• La cellule unitaire contient 4 atomes au total :
  8 atomes x 1/8 part pour les atomes de coin et 6 atomes x 1/2 part pour les atomes centrés.
• Le fer gamma (austénite) est un métal FCC.

L'acier, sans nickel ni manganèse, atteint une structure cubique à faces centrées (FCC) stable entre 1 674 et 2 541 ° F. À ces températures, le carbone de l'acier imprègne chaque cellule.

Cependant, cet acier, refroidi de façon régulière (non trempé), deviendra ferritique et cubique centré (BCC). Il ne conservera pas la structure FCC.

Les réseaux BCC sont plus vulnérables à certains types de contraintes mécaniques que les structures FCC plus denses. Ils n'ont pas le même nombre d'atomes dans chaque cellule qui maintient le réseau ensemble. Le maintien de la structure FCC même à température ambiante aide à maintenir sa résistance supplémentaire. Cela se fait généralement avec des éléments supplémentaires ajoutés à l'alliage.

Microstructures des aciers ferritiques, austénitiques, martensitiques et duplex

Acier ferritique est un acier BCC courant. Il devient cassant à des températures cryogéniques, perd rapidement sa résistance à des températures élevées et est magnétique. Ces propriétés sont dues à la forme cubique centrée (BCC).

Dans chaque cellule BCC « lâchement » emballée, tous les électrons ne sont pas capables de trouver et de s'apparier avec des électrons de spin opposé. Ce sont ces électrons libres qui créent le magnétisme de l'acier ferritique. Avec seulement deux atomes ajoutant de la résistance à chaque cellule, l'acier ferritique est également plus facile à casser, en particulier dans des environnements chauds ou froids.

Acier austénitique est FCC à température ambiante en raison d'un ajout de nickel dans l'alliage. L'acier austénitique est plus ductile que le FCC, même à des températures cryogéniques. Il a plus de résistance à la chaleur. Il n'est pas non plus magnétique. Ces propriétés sont dues à sa forme face centrée (FCC).

Tous les treillis ont des «systèmes de glissement», ou des lignes de cisaillement, où le treillis peut glisser lorsqu'il est frappé sans que les cellules ne soient déchirées. Les réseaux cubiques ont beaucoup de symétrie et donc plus de plans de glissement. Peut-être de manière contre-intuitive, le cristal FCC plus dense a plus de lignes de cisaillement que les cristaux BCC faiblement emballés. Les cristaux denses glissent plus facilement les uns sur les autres. Chaque cellule a plus de poids et de force atomique et se maintient plus facilement.

La déformation plastique au niveau micro soutient la ductilité du matériau au niveau macro. C'est pourquoi il existe une gamme plus large de résilience dans les structures cubiques à faces centrées. Les structures ferritiques sont plus susceptibles de se briser à l'impact ou de se fracturer lorsqu'elles sont étirées, en particulier dans des environnements difficiles.

Les aciers inoxydables austénitiques sont les seuls types d'acier inoxydable qui ne deviennent pas cassants et ne se fracturent pas facilement dans les applications cryogéniques. L'acier austénitique conserve la majeure partie de sa ténacité et de son allongement même en dessous de -292 ° F. La fragilisation à basse température est caractéristique des aciers ferritiques et duplex. Après une température de transition, ils deviennent susceptibles de se briser sous contrainte.

Acier martensitique sont un autre type d'acier avec un type de grain très différent à la surface. Ces aciers n'ont pas une microstructure cubique simple. La martensite se forme par trempe :un refroidissement rapide de la surface. Le choc environnemental provoque le soulèvement du réseau lorsqu'il gèle. Les microstructures martensitiques sont sous contrainte, dans une forme tétragonale centrée sur le corps, et ne s'alignent pas uniformément. Cela permet aux surfaces martensitiques d'être plus dures, mais elles sont aussi plus cassantes, même à température ambiante.

Acier duplex sont un ajout relativement nouveau aux variétés d'aciers inoxydables. Ces aciers présentent un mélange de microstructures. Des couches intercalées de ferrite et d'austénite donnent les propriétés matérielles finales des deux. Les pourcentages inférieurs de nickel et/ou de manganèse nécessaires pour l'acier inoxydable duplex réduisent le coût par rapport à l'acier inoxydable austénitique.

Entretien et entretien de l'acier inoxydable

Bien que l'acier inoxydable soit résistant à la rouille, il n'est pas imperméable. Sa résistance à la corrosion repose sur sa couche de passivation, qui peut être perturbée chimiquement. Les sels, les acides, les rayures qui retiennent l'humidité et les dépôts de fer peuvent rendre l'acier inoxydable vulnérable à la rouille.

Des précautions doivent être prises lors de l'installation de l'acier inoxydable :les outils en acier peuvent modifier la chimie de surface de l'acier en laissant derrière eux des dépôts de fer qui rendent la surface vulnérable. Tout endroit qui est entré en contact avec de l'acier doit être nettoyé. Les rayures profondes qui pourraient retenir l'humidité doivent être évitées.

L'entretien des surfaces en acier inoxydable n'est pas difficile mais doit être effectué régulièrement si l'acier est exposé à des chocs, des rayures, du sel, du fer ou d'autres produits chimiques. Le mobilier extérieur doit être entretenu deux fois par an.

La façon de nettoyer l'acier inoxydable dépend du type de problème à résoudre. Différentes stratégies sont nécessaires pour différents types de marques. Notre poste de nettoyage en profondeur décrit les étapes pour la décoloration, la rouille, la graisse, les empreintes digitales, le ciment ou le calcaire. Il est bon de traiter rapidement la corrosion. Lorsqu'il est détecté tôt, le WD-40 ou un autre lubrifiant peut suffire à éliminer la rouille.

Avec un entretien et des soins appropriés, les propriétés de l'acier inoxydable qui le rendent si attrayant (la ténacité de l'acier alliée à la résistance à la corrosion et au lustre du chrome) peuvent continuer à être un atout sans stress pendant des années.

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