Les familles d'inox

Un ferritique, c'est un acier à 11 à 30 % de chrome, presque sans nickel et avec très peu de carbone. Sa verticale passe à côté de l'île d'austénite (cours 1) : il reste ferritique de la solidification à l'ambiante. Conséquences :

• pas de normalisation : impossible d'affiner un grain grossi par une surchauffe, en zone affectée notamment (cours 3, chapitre 7) ;
• pas de trempe : on ne le durcit pas par traitement thermique ;
• il est ferromagnétique, conduit assez bien la chaleur et se dilate peu, comme un acier ordinaire.

Un piège, pourtant : avec un peu de carbone et d'azote, la bande α + γ s'élargit, et un 430 forme de l'austénite aux joints de grains quand on le chauffe vers 1 000 à 1 200 °C. Au refroidissement, ces îlots, riches en carbone, deviennent :

• de la martensite si le refroidissement est rapide, comme en soudage : dure et fragile ;
• de la ferrite et des carbures si le refroidissement est plus lent : les carbures de chrome appauvrissent les joints.

Dans les deux cas, un traitement thermique (recuit vers 750 à 850 °C) est nécessaire pour retrouver la ductilité et la tenue à la corrosion. La parade moderne : stabiliser au titane ou au niobium (439, 441, 444). Ces éléments, alphagènes, fixent le carbone et l'azote : plus d'austénite, moins de carbures de chrome, et des particules qui freinent la croissance des grains.

Propriétés

• Mécaniques : R_m de 400 à 800 MPa environ, allongement de 10 à 30 %, bonne ductilité et bonne résilience à l'ambiante… tant que le grain reste fin. Comme tout cubique centré, un ferritique a une transition ductile-fragile, qui remonte avec la taille de grain et la teneur en chrome.
• Physiques : ferromagnétiques sous leur température de Curie ; conductivité thermique de 20 à 30 W·m⁻¹·K⁻¹ (elle baisse quand le chrome augmente) ; dilatation faible, 10 à 13 × 10⁻⁶ °C⁻¹ entre 20 et 300 °C, proche de celle d'un acier au carbone.

Nuances courantes

Applications

• Vers 11 à 12,5 % de chrome : milieux peu agressifs, coût bas ; remplacement d'aciers de construction, transport (lignes d'échappement), électroménager.
• Vers 17 % : moins chers que les austénitiques, bonnes propriétés en traction ; électroménager, décoration, cuisine.
• Super-ferritiques (environ 25 % de chrome avec du molybdène) : chimie, papeterie, échangeurs en eau chlorée. Les ferritiques résistent bien à la corrosion sous tension, contrairement aux austénitiques au nickel.

Un martensitique contient environ 12 à 18 % de chrome et assez de carbone (ou de nickel) pour passer dans l'île d'austénite vers 950 à 1 050 °C. Trempé, il devient martensite : dur et résistant. Son chrome élevé lui donne une trempabilité énorme : il prend la trempe même refroidi à l'air. On dit qu'il est autotrempant. Le soudeur s'en souvient : sa zone affectée devient martensite à tous les coups (cours 3, chapitre 6).

Tout est affaire de dosage :

• le carbone fait la dureté de la martensite (de 0,05 % pour un 403 à plus de 1 % pour un 440C) ; il distord la maille cubique centrée, qui devient quadratique au-delà d'environ 0,2 % (cours 1, chapitre 2) ;
• tous les éléments d'alliage (sauf le cobalt) abaissent M_s : trop d'alliage, et une partie de l'austénite ne se transforme pas à l'ambiante. C'est l'austénite résiduelle, plus molle et instable ;
• trop d'alphagènes pour l'île, et de la ferrite δ subsiste à la température de trempe : elle reste dans la structure et dégrade les propriétés.

Après la trempe vient le revenu, qui adoucit la martensite et lui rend de la ténacité. Les martensitiques sont ferromagnétiques, se dilatent peu, résistent bien à l'oxydation à chaud, même en présence de soufre, et coûtent peu (peu ou pas de nickel). Leur soudabilité dépend surtout de leur carbone.

La transformation martensitique

Elle est displacive : un cisaillement coordonné des atomes, sans diffusion. Elle ne dépend donc pas du temps, seulement de la température atteinte : elle commence à M_s et progresse en refroidissant (loi de Koistinen et Marburger, cours 3). Pour les aciers à 12 % de chrome, des mesures publiées (Irvine, Crowe et Pickering, 1960) donnent l'abaissement de M_s par % d'élément :

0,1 % de carbone abaisse donc M_s d'environ 47 °C. La manipulation utilise la formule d'Andrews, la même que pour le calcul du préchauffage (cours 3) :

Pour les nuances très chargées en carbone (440C), la température d'austénitisation ne dissout qu'une partie des carbures : l'austénite ne contient qu'environ 0,5 % de carbone, et son M_s reste vers 150 °C. Une partie de l'austénite résiste à la trempe (plus de 20 %) : on la transforme par un traitement par le froid, puis on revient.

La ferrite δ résiduelle

Les mêmes travaux donnent l'effet de chaque élément sur la ferrite δ d'un acier à 12 % de chrome, en % de ferrite par % d'élément :

Le titane et le niobium sont alphagènes, mais leur effet est complexe : ils consomment le carbone et l'azote, deux gammagènes puissants. La manipulation additionne ces contributions, avec une constante choisie pour qu'un 410 standard, austénitisé à 1 000 °C, n'ait pas de ferrite. Pour les nuances moulées ou très alliées, on utilise aussi le diagramme de Schneider (cours 1, chapitre 5).

Nuances et applications

Un métal se déforme par le glissement de défauts linéaires, les dislocations. Pour le rendre très résistant, on sème sur leur chemin des milliards de petits obstacles : des précipités de quelques nanomètres, riches en cuivre, en nickel et aluminium, en nickel et titane, ou des carbures. Ce sont les inox durcis par précipitation (PH).

Leur traitement se fait en trois temps :

1. mise en solution vers 1 040 °C : les éléments se dissolvent ;
2. trempe : on les piège en solution sursaturée (et la matrice devient martensite pour les nuances martensitiques) ;
3. vieillissement vers 480 à 620 °C : les précipités naissent et grossissent. Pour les nuances martensitiques, ce chauffage revient aussi la martensite et réduit les contraintes internes.

Tout se joue sur la taille des précipités. Trop petits, les dislocations les cisaillent sans grand effort ; trop gros et trop espacés, elles les contournent. Entre les deux, au pic de durcissement, ils gênent le plus. Un vieillissement plus chaud ou plus long fait grossir les précipités : on perd de la résistance, mais on gagne de la ténacité. On parle de survieillissement.

Trois classes : les martensitiques à transformation directe (17-4PH, 15-5PH, PH13-8Mo), martensite dès la trempe ; les martensitiques à transformation indirecte ou semi-austénitiques (17-7PH, PH15-7Mo, AM355), encore austénitiques après la trempe et transformées par un traitement complémentaire ; et les austénitiques (A286), qui restent tenaces à très basse température.

Combiner température et temps

Un vieillissement court et chaud peut produire le même effet qu'un vieillissement long et tiède. Le paramètre de Hollomon et Jaffe les combine :

Dans la manipulation, R_p0,2 est une fonction de P : un pic vers P ≈ 15,4, puis une décroissance (survieillissement, revenu de la martensite et, au-delà de P ≈ 17,5, retour d'un peu d'austénite).

Les familles de nuances

Atouts : R_p0,2 de l'ordre de 1 à 1,5 GPa pour les martensitiques, tenue à la corrosion souvent meilleure que celle des martensitiques classiques (plus de chrome, souvent du molybdène), bonne usinabilité avant vieillissement et très faibles variations dimensionnelles au vieillissement : on usine la pièce à l'état A, puis on la vieillit. Applications : nucléaire, aéronautique, chimie et pétrochimie, défense, ressorts, lames d'escrime, turbines, appareils sous pression, et pour les austénitiques, cryogénie et hautes températures.

Mention spéciale : les ferritiques ODS

Les aciers ODS (chrome, titane, tungstène ou molybdène, sans nickel) sont renforcés par une dispersion très fine d'oxydes d'yttrium et de titane, introduits par cobroyage de poudres puis consolidés par métallurgie des poudres. Très résistants, y compris en fluage, et peu sensibles au gonflement sous irradiation, ils visent surtout les gaines de combustible nucléaire. Mais le soudage par fusion fait remonter et grossir les oxydes : il n'existe pas encore de solution satisfaisante pour les souder.

Les austénitiques (304L, 316L, 321, 347, 310S…) contiennent 16 à 25 % de chrome et 8 à 20 % de nickel : l'île d'austénite a tellement gonflé qu'ils restent cubiques à faces centrées jusqu'à l'ambiante. C'est la famille la plus utilisée. Leurs atouts :

• ductiles et faciles à mettre en forme (emboutissage profond) ;
• fortement écrouissables : leur limite d'élasticité, faible à l'état hypertrempé (environ 200 à 250 MPa), grimpe jusqu'à 1,5 à 2 GPa après un fort écrouissage, au prix d'une ductilité réduite et d'une usinabilité plus difficile ;
• pas de transition ductile-fragile : le cfc reste tenace jusqu'aux températures de l'azote ou de l'hélium liquides ;
• amagnétiques, très résistants à la corrosion, faciles à nettoyer.

Mais leur austénite est souvent métastable. Refroidie très bas, ou fortement déformée, elle peut se transformer en martensite α', dure et magnétique. Sous la déformation, la martensite qui apparaît là où le métal se déforme le plus durcit précisément ces zones : la déformation se reporte ailleurs, ce qui retarde la striction. C'est l'effet TRIP : le 301 ou le 304 peuvent ainsi atteindre de très hautes résistances par écrouissage. Plus on déforme froid, plus la transformation est forte ; au-dessus d'une température notée M_d, la déformation ne transforme plus rien.

Côté physique, ils se distinguent par une faible conductivité thermique (12 à 15 W·m⁻¹·K⁻¹) et une forte dilatation (16 à 18 × 10⁻⁶ °C⁻¹ entre 20 et 300 °C) : la chaleur du soudage reste concentrée et le métal se dilate beaucoup, d'où des déformations de soudage nettement plus fortes que sur un acier au carbone.

Deux températures pour une austénite métastable

Toujours M_d > M_s : la déformation fournit l'énergie qui manque à la transformation. La quantité de martensite dépend de la température, du mode (traction, laminage, pliage), du taux et de la vitesse de déformation, et de la composition. Ordres de grandeur (Nohara) : 301 vers +24 °C, 304 vers 0 °C, 304L vers −25 °C, 316L vers −70 °C, 310S très en dessous : le 310S reste austénitique même déformé dans l'azote liquide.

L'écrouissage

L'effet TRIP s'ajoute à cet écrouissage : avec une austénite peu stable (17 % Cr, 7 % Ni), la contrainte dépasse 1 200 MPa vers 25 % de déformation ; avec une austénite stable (17 % Cr, 13 % Ni et plus), elle reste sous 900 MPa à 50 %.

Nuances courantes

À l'état hypertrempé, la norme de produit garantit typiquement R_p0,2 ≥ 200 à 240 MPa et R_m ≥ 500 à 650 MPa, avec un allongement de 40 % et plus. Ils peuvent contenir un peu de ferrite δ, sauf les super-austénitiques (6 % Mo, 20 à 25 % Ni), entièrement austénitiques.

Applications : partout où l'on ne veut pas de magnétisme ; agroalimentaire (bon état de surface, nettoyage facile) ; chimie et pétrochimie ; cryogénie (réservoirs de gaz liquéfiés).

Un duplex (nom anglais devenu générique), ou austéno-ferritique, contient environ 22 à 25 % de chrome, 4 à 7 % de nickel, souvent du molybdène et de l'azote. Sa verticale tombe dans la bande α + γ du cours 1 : sa structure mélange ferrite δ et austénite, entre 30 et 60 % de ferrite, avec un objectif de moitié-moitié. Au microscope, des îlots d'austénite allongés par le laminage dans une matrice de ferrite.

Ce mélange réunit plusieurs qualités :

• une limite d'élasticité environ deux fois celle d'un 304L, avec une bonne ductilité ;
• une excellente tenue aux piqûres et aux milieux chlorés (beaucoup de chrome, de molybdène et d'azote) et à la corrosion sous tension ;
• moins de nickel, donc un coût souvent plus bas qu'un austénitique de tenue équivalente ;
• une dilatation (13 à 14 × 10⁻⁶ °C⁻¹) proche de celle d'un acier au carbone, et une conductivité d'environ 15 W·m⁻¹·K⁻¹.

Leurs limites : ils sont ferromagnétiques (la ferrite), leur tenue au fluage est faible, et on les emploie en dessous d'environ 300 °C, à cause de la fragilisation de leur ferrite vers 475 °C et de la phase σ (cours 4).

Pourquoi la température compte

Les coupes du diagramme fer-chrome-nickel (par exemple à 8 % de nickel, ou à 18 % de chrome) montrent qu'à haute température la ferrite domine : un duplex se solidifie en ferrite, puis l'austénite se forme en refroidissant. La proportion finale dépend de la température de recuit et de la vitesse de refroidissement : plus le recuit est chaud, plus il reste de ferrite. En soudage, un refroidissement trop rapide laisse une zone affectée trop ferritique (cours 4). L'azote, très gammagène et qui diffuse vite, aide l'austénite à se reformer.

Nuances courantes

Limite d'élasticité typique : environ 400 MPa pour un 2304, 450 à 500 MPa pour un 2205, 530 MPa et plus pour un super duplex, avec R_m de 600 à 800 MPa. Applications : chimie et pétrochimie, papeterie, pompage d'eau de mer, stations de dessalement, hélices de bateaux, installations de désulfuration des fumées, ponts et structures (pour les nuances « lean »).

Le PREN des duplex

Rappel (cours 1) : PREN = %Cr + 3,3·%Mo + 16·%N. Au-dessous d'environ 35, une nuance ne convient pas à l'eau de mer ; au-dessus de 40 (super duplex, super austénitiques), elle devient une candidate. Attention : le PREN se calcule sur l'analyse globale, mais chaque phase a le sien ; un duplex mal équilibré (trop de ferrite, ou une austénite pauvre en azote) perd de sa tenue. D'autres critères complètent le PREN : le potentiel de piqûration E_pit et la température critique de piqûration (CPT, essai ASTM G48).

Choisir un inox, c'est d'abord écarter les familles qui ne conviennent pas : un critère éliminatoire (amagnétique, eau de mer, cryogénie) suffit souvent à trancher. Ensuite, on compare résistance, ténacité, mise en œuvre et coût. Quelques réflexes :

• amagnétique ou cryogénie : austénitiques ;
• eau de mer, milieux très chlorés : super duplex ou super austénitiques ;
• corrosion sous tension en milieu chloré chaud : duplex ou ferritiques, pas les austénitiques ordinaires ;
• haute résistance : martensitiques ou durcis par précipitation, puis duplex ;
• prix bas en milieu peu agressif : ferritiques ;
• facile à souder sans traitement thermique : austénitiques, puis duplex et ferritiques stabilisés.

La ténacité à froid fait souvent la différence : l'austénite (cfc) ne connaît pas de transition ductile-fragile ; la ferrite (cc) en a une, d'autant plus haute que le grain est gros ; un mélange austénite-ferrite se situe entre les deux.

Un indicateur simple de la tendance aux déformations de soudage est le rapport α_th/λ : la dilatation pousse à se déformer, la conductivité étale la chaleur. Il vaut environ 0,4 × 10⁻⁶ m·W⁻¹ pour un ferritique, 1,1 × 10⁻⁶ pour un austénitique : à énergie égale, l'austénitique se déforme nettement plus.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Les teneurs sont en % massique. Chaque exercice se vérifie dans la manipulation du même numéro, et le défi se rejoue dans la manipulation 6.