Les alliages d'acier inoxydable en détail: principaux éléments, caractéristiques essentielles et classification de l'acier inoxydable

L'acier inoxydable est généralement enseigné sous forme de cinq catégories : austénitique, ferritique, martensitique, duplex et à durcissement par précipitation. Ces catégories sont réelles, et elles ne sont pas la raison pour laquelle une nuance se comporte comme elle le fait. Une nuance se situe là où elle se situe en raison de deux nombres qui peuvent être calculés à partir de sa composition, et sa résistance à la corrosion peut être classée par un troisième. Une fois ces trois nombres sur la page, les cinq catégories deviennent des régions sur une carte et non des étiquettes à mémoriser.

Le premier nombre est la teneur en chrome, et c'est un seuil et non une échelle. La deuxième paire est les équivalents de chrome et de nickel, qui décident si la structure qui se forme au refroidissement est de la ferrite, de l'austénite ou un mélange. Le troisième est le nombre d'équivalent de résistance à la piqûration, qui convertit le chrome, le molybdène et l'azote en un chiffre unique qui peut être comparé entre les nuances.

Cette page présente les trois, montre où se situent les nuances courantes pour chacune, et explique le seul mécanisme qui supprime la protection fournie par le premier nombre : le chrome qui forme le film passif peut être retiré par le carbone aux joints de grains.

Le chrome est ce qui rend l'alliage inoxydable. Au-dessus d'environ 10,5 % en solution solide, le métal forme un film d'oxyde de chrome mince et continu à sa surface, et ce film est ce qui sépare un acier inoxydable d'un acier faiblement allié qui contient simplement du chrome. En dessous de ce niveau, le film n'est pas continu, et l'alliage rouille comme un acier ordinaire.

Le seuil est une déclaration concernant le chrome en solution et non le chrome dans l'analyse. Si le chrome est lié dans un précipité, il n'est pas disponible pour former le film, et l'alliage se comporte comme s'il en contenait moins. Cette distinction est tout le sujet de la dernière section, et elle explique pourquoi une nuance qui répond à son certificat peut toujours se corroder à une soudure.

Le nickel fait quelque chose de différent. Il ne crée pas le film, et il n'est pas requis pour la résistance à la corrosion dans toutes les familles. Son rôle est de stabiliser l'austénite, c'est pourquoi les nuances austénitiques contiennent 6 à 22 % de nickel dans les plages de composition couramment vendues, et pourquoi les nuances ferritiques en contiennent peu ou pas.

Le chrome et le molybdène favorisent tous deux la ferrite. Le nickel, le carbone et le manganèse favorisent l'austénite. Le diagramme de Schaeffler réduit une composition complète à deux nombres qui capturent ces tendances, et une nuance est placée sur le diagramme en calculant les deux.

Le terme carbone explique un résultat qui surprend les acheteurs. Deux nuances avec la même teneur en nickel peuvent se retrouver dans des régions différentes si leurs niveaux de carbone diffèrent, car le carbone est trente fois plus efficace que le nickel pour stabiliser l'austénite dans cette expression. C'est une raison pour laquelle une version à faible teneur en carbone d'une nuance n'est pas simplement une version plus propre de la même nuance, et pourquoi le suffixe L apparaît sur les dessins où la soudure est impliquée.

La rangée austénitique porte une qualification que les manuels omettent souvent. Une nuance austénitique recuite est non magnétique, et une travaillée à froid ne l'est pas entièrement. Le travail à froid peut former de la martensite dans une nuance austénitique métastable, de sorte qu'une pièce emboutie en profondeur ou fortement laminée peut présenter une réponse magnétique que le certificat recuit ne prédit pas. Une spécification qui exige un comportement non magnétique doit le préciser dans l'état fini et non dans l'état recuit.

La piqûration est le mode de défaillance qui décide d'un matériau en service dans des conditions de chlorure, et elle dépend de trois éléments et non d'un seul. Le nombre d'équivalent de résistance à la piqûration les combine en un chiffre unique, et la forme standard est le chrome plus 3,3 fois le molybdène plus 16 fois l'azote.

Le nombre place les nuances courantes sur une échelle qui va d'environ 16 à plus de 70, et l'échelle est la raison pour laquelle un 316 est spécifié pour un site côtier et un 304 ne l'est pas.

Deux seuils méritent d'être rappelés car ils apparaissent dans les spécifications d'achat. Un PREN d'au moins 32 est le chiffre couramment utilisé pour résister à la piqûration dans l'eau de mer, et un PREN de 40 ou plus est le chiffre couramment utilisé pour le service en sulfure d'hydrogène et pour le service en eau de mer où le risque est plus élevé. Ce sont des valeurs de dépistage et non des garanties, et le paragraphe suivant explique pourquoi.

La limitation est énoncée par l'association qui publie le calcul. Le PREN est utile pour classer les nuances au sein d'une famille, et il ne peut pas prédire si une nuance particulière conviendra à une application particulière. Un 2205 et un 904L avec un PREN similaire ne se comportent pas identiquement, car l'un est duplex et l'autre est austénitique, et la comparaison n'est significative qu'entre des nuances de la même structure. La température, la finition de surface, le débit et la présence de dépôts influencent tous la réponse, et aucun d'entre eux n'apparaît dans la formule.

Le chrome forme le film uniquement tant qu'il reste en solution. Le carbone le retire, et il le fait aux joints de grains. Lorsqu'un acier inoxydable austénitique est maintenu dans une plage de température d'environ 500 à 850 °C, le carbone de l'alliage se combine avec le chrome aux joints pour former des carbures de chrome, et le métal juste à côté de chaque carbure est laissé appauvri en chrome.

La zone appauvrie est étroite et continue le long du joint, de sorte que l'alliage a maintenant un chemin à travers lequel il n'est plus inoxydable alors que le gros du grain l'est encore. Un milieu corrosif attaque ce chemin, et le résultat est une corrosion intergranulaire, qui ressemble à un joint dont les bords ont disparu et non à une surface qui a rouillé.

Les deux réponses standard fonctionnent selon des mécanismes différents. La nuance L réduit le carbone disponible, donc moins de carbure peut se former. Une nuance stabilisée ajoute du titane ou du niobium, qui se combinent avec le carbone plus facilement que le chrome, de sorte que le chrome reste en solution. Les deux sont correctes, et elles ne sont pas interchangeables : une nuance stabilisée peut être utilisée à une température plus élevée qu'une nuance L, et une nuance L est généralement moins chère.

Une nuance doit être choisie en fonction du mécanisme qui devrait mettre fin à la pièce. Le tableau relie le mécanisme à la famille et au nombre qui le prédit.

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Le matériau est fourni conformément à la norme nommée sur la commande, avec un certificat EN 10204 3.1 sur demande et le numéro de coulée traçable aux résultats d'essai. La question utile n'est pas à quelle famille appartient une nuance, mais quel mécanisme est censé mettre fin à la pièce et quel nombre prédit ce mécanisme.

Parce que c'est le niveau auquel le film d'oxyde de chrome devient suffisamment continu pour protéger la surface. En dessous, le film est incomplet et l'alliage rouille comme un acier faiblement allié. Le seuil s'applique au chrome en solution, donc un alliage dont le chrome a été consommé par les carbures peut se comporter comme s'il était en dessous de la ligne même si le certificat indique le contraire.

Le molybdène. La nuance 316 en ajoute, et le molybdène a un poids de 3,3 dans le nombre de résistance à la piqûration, ce qui fait passer la valeur d'environ 19 pour le 304 à environ 27 pour le 316. C'est suffisant pour avoir un impact dans le service au chlorure et pas suffisant pour atteindre le seuil d'eau de mer de 32, c'est pourquoi une application côtière passe souvent au 904L, à un nuance duplex, ou à un alliage de nickel.

À l'état recuit, il l'est, et à l'état travaillé à froid, il peut ne pas l'être. Le travail à froid peut former de la martensite dans une nuance austénitique métastable, de sorte qu'une pièce emboutie en profondeur ou fortement laminée peut présenter une réponse magnétique que le certificat recuit ne prédit pas. Une spécification qui exige un comportement non magnétique doit indiquer l'état dans lequel il est mesuré.

C'est la perte de chrome des joints de grains lorsque des carbures de chrome se forment dans la plage d'environ 500 à 850 °C. Une soudure et sa zone affectée par la chaleur traversent cette plage lors du refroidissement, de sorte que le joint devient un chemin qui n'est plus inoxydable alors que les intérieurs de grains le sont encore. Le résultat est une corrosion intergranulaire, et les réponses standard sont une nuance à faible teneur en carbone ou une nuance stabilisée.

C'est un outil de dépistage et non une méthode de sélection. Il classe les nuances au sein d'une famille, et il ne peut pas prédire si une nuance particulière conviendra à une application particulière. Une nuance duplex et une nuance austénitique avec des valeurs similaires ne se comportent pas identiquement, et la température, la finition de surface, le débit et les dépôts influencent tous la réponse sans apparaître dans la formule.

Faible teneur en carbone. La limite de carbone descend à environ 0,03 %, ce qui réduit la quantité de carbure de chrome qui peut se former aux joints de grains pendant le soudage. C'est la réponse standard pour une pièce fabriquée qui ne peut pas être ré-recuite après soudage, et elle coûte moins cher qu'une nuance stabilisée.

L'acier inoxydable est composé de cinq familles placées par deux équivalents calculés, protégées par un seuil, et classées en service au chlorure par un nombre. Le chrome supérieur à environ 10,5 % en solution forme le film. Les équivalents de chrome et de nickel décident si la structure est ferrite, austenite ou un mélange. Le nombre de résistance à la piqûration, chrome plus 3,3 fois le molybdène plus 16 fois l'azote, classe les nuances au sein d'une famille et définit les seuils de dépistage de 32 et 40.

La protection peut être retirée sans changer le certificat. Le carbone retire le chrome des joints de grains entre environ 500 et 850 °C, et une soudure est l'endroit habituel où cela se produit. Une nuance à faible teneur en carbone ou une nuance stabilisée l'empêche, et le choix entre les deux dépend de la température de service et du coût.

Diagramme de Schaeffler et expressions d'équivalence, tels que publiés dans des références de métallurgie de soudage : équivalent chrome = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb, et équivalent nickel = Ni + 30 C + 0,5 Mn.

British Stainless Steel Association, calcul des nombres d'équivalent de résistance à la piqûration. Source de l'expression PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N, des plages publiées pour 304, 316, 316L, 904L, 2205 et 2507, et de l'affirmation que le PREN est utile pour le classement et la comparaison mais ne peut pas prédire si une nuance conviendra à une application donnée.

Données comparatives PREN publiées pour les alliages d'acier inoxydable et de nickel, donnant des valeurs uniques de 19 pour 304, 27 pour 316, 35 pour 904L, 36 pour 2205, 43 pour 2507 et pour 254 SMO, 46 pour AL-6XN, 51 pour l'alliage 625, et 68 pour Hastelloy C-276.

Guides techniques publiés sur les seuils PREN, indiquant qu'une valeur d'au moins 32 est utilisée pour protéger contre la piqûration de l'eau de mer et que 40 ou plus est utilisé pour le sulfure d'hydrogène et pour un service en eau de mer plus sévère.

Recherches publiées sur la sensibilisation de l'acier inoxydable austénitique, décrivant la précipitation de carbures de chrome aux joints de grains et la zone appauvrie en chrome résultante dans la plage de température d'environ 500 à 850 °C.

Références de métallurgie de soudage publiées décrivant la sensibilisation dans la zone affectée par la chaleur et l'utilisation de nuances à faible teneur en carbone et stabilisées pour la prévenir.

EN 10088 et ASTM A240, en tant que normes de produit qui définissent les nuances d'acier inoxydable nommées et les plages de composition citées.

EN 10204, documents d'inspection, pour la définition du certificat 3.1 comme document portant les résultats d'essais réels et approuvé par le représentant de l'inspection indépendante du fabricant.

Les plages de composition et les valeurs calculées ci-dessus sont des chiffres standard pour les nuances nommées, et ce ne sont pas des limites d'acceptation pour un lot livré. Le PREN est un indice de classement et non un taux de corrosion, et deux nuances avec la même valeur dans des familles différentes ne se comportent pas identiquement. La sensibilisation dépend de la teneur en carbone, du temps passé dans la plage et de la vitesse de refroidissement, de sorte qu'une nuance résistante dans une fabrication peut être attaquée dans une autre avec la même analyse. Les valeurs de propriétés pour une pièce livrée dépendent de son état et de la direction du test, et un certificat décrit une coulée et non un composant. Les spécifications des produits sont révisées, et l'édition nommée sur le bon de commande fait foi. Rien dans cette page ne remplace une approbation d'ingénierie ou les tests de qualification convenus entre l'acheteur et le fournisseur.