Fiche de révision : Classification des aciers inoxydables

📋 Plan du Cours

1. Composition chimique et rôle des éléments d'alliage dans les aciers inoxydables
2. Types d'aciers inoxydables selon leur structure cristalline et propriétés associées
3. Formation et impact de la phase sigma dans les aciers inoxydables
4. Diagrammes de phase Fe-Cr et influence des températures et teneurs en chrome sur les phases
5. Effets du carbone et de l'azote sur la microstructure et la corrosion des aciers inoxydables
6. Diagramme de Schaeffler : prédiction des microstructures selon les équivalents chrome et nickel
7. Classification des aciers inoxydables selon leur structure et composition

📖 1. Composition chimique et rôle des éléments d'alliage dans les aciers inoxydables

🔑 Notions clés & Définitions

• Austénitique : Phase de l'acier caractérisée par une structure cristalline cubique à faces centrées (CFC) qui est stable à température ambiante grâce à la présence d'éléments gamma-gènes comme le nickel.
• Chrome (Cr) : Élément d'alliage majeur des aciers inoxydables, présent à au moins 10,5 %, qui forme une couche passive d'oxyde de chrome sur la surface, assurant la résistance à la corrosion.
• Molybdène (Mo) : Élément alphagène ajouté dans certains aciers inoxydables pour augmenter la résistance à la corrosion, notamment contre la corrosion par piqûres et en présence d'acides.
• Nickel (Ni) : Nickel (Ni) : Souvent présent entre 8 et 10,5 %, il améliore la ductilité et la résistance à la corrosion.

📝 Points essentiels

• Le manganèse est un élément gamma-gène qui améliore certaines propriétés mécaniques et peut remplacer partiellement le nickel dans certains alliages.
• SELLAMI L'acier inoxydable, souvent appelé inox, est un alliage de fer contenant au moins 10,5 % de chrome, ce qui lui confère une excellente résistance à la corrosion.

💡 À retenir

Le manganèse est un élément gamma-gène qui améliore certaines propriétés mécaniques et peut remplacer partiellement le nickel dans certains alliages.

📖 2. Types d'aciers inoxydables selon leur structure cristalline et propriétés associées

🔑 Notions clés & Définitions

• Propriétés : Caractéristiques mécaniques, physiques ou chimiques qui déterminent le comportement d'un acier inoxydable dans différentes conditions d'utilisation.
• Emploi : A l’état moulé (hélices marines, turbines hydrauliques qui doivent présenter une bonne résistance à la cavitation, pompes, vannes…).
• Aciers austénitiques : Aciers inoxydables présentant une structure cristalline cubique à faces centrées (CFC), non magnétiques, stables entre 911° et 1 392 °C à pression atmosphérique, et offrant une excellente résistance à la corrosion, comme les types 304 et 316.
• Aciers ferritiques : Aciers inoxydables caractérisés par une structure cristalline cubique centrée (CC), ferromagnétiques en dessous du point de Curie, stables jusqu'à environ 912 °C, avec une résistance à la corrosion inférieure à celle des austénitiques, exemples : 430, 409.

📝 Points essentiels

• Les aciers austénitiques ont une structure cubique à faces centrées, sont non magnétiques, et offrent une excellente résistance à la corrosion, exemplifiés par les types 304 et 316.
• Les aciers martensitiques, caractérisés par une structure martensitique obtenue par trempe, ont une teneur en carbone variable inférieure à 1,2 %, une bonne dureté, et sont utilisés jusqu'à environ 500 °C.
• Les aciers ferritiques sont stables jusqu'à environ 912°C.
• Duplex : Combine des phases austénitiques et ferritiques, offrant une résistance supérieure à la corrosion et une meilleure résistance mécanique.

💡 À retenir

Les aciers austénitiques ont une structure cubique à faces centrées, sont non magnétiques, et offrent une excellente résistance à la corrosion, exemplifiés par les types 304 et 316.

📖 3. Formation et impact de la phase sigma dans les aciers inoxydables

🔑 Notions clés & Définitions

• Phase sigma (σ) : Le chrome est essentiel pour la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable mais une haute teneur favorise la formation de la phase sigma (σ)(région violette), qui peut induire une fragilisation du matériau.
• Dans les aciers inoxydables : C b Projection de la maille élémentaire de la phase sigma à structure CrFe selon l'axe c.

📝 Points essentiels

• La phase sigma se forme typiquement entre 600 °C et 950 °C, avec un optimum cinétique vers 700–850 °C.
• La phase sigma résulte de la décomposition de la ferrite selon la réaction : Ferrite → σ + γ₂.

💡 À retenir

Le diagramme Fe-Cr permet de comprendre comment la température et la teneur en chrome déterminent la stabilité des phases dans les aciers inoxydables.

📖 4. Diagrammes de phase Fe-Cr et influence des températures et teneurs en chrome sur les phases

🔑 Notions clés & Définitions

• Lignes de transition de phase : Ligne entre α et γ : Cette ligne sépare les phases ferritique (α) et austénitique (γ).
• Ligne de liquidus : Lignes de liquidus et solidus : Ligne de liquidus : La ligne qui sépare la phase liquide (
• Ligne de solidus : Cette ligne sépare les phases solides des autres phases.
• Métaux : Fluage haute température.
• Diagramme de phase Fe-Cr : Influence des éléments d’alliage sur la structure : Diagramme d’équilibre des alliages Fe-Cr Le graphique est un diagramme de phase Fe-Cr (Fer-Chrome).

📝 Points essentiels

• Le diagramme Fe-Cr montre les régions de stabilité des phases α, γ, σ et L en fonction de la température et du pourcentage de chrome.
• La ligne de liquidus sépare la phase liquide des phases solides et commence à 1539°C pour 0% Cr, descendant vers 1505°C à environ 22% Cr.

💡 À retenir

La phase sigma joue un rôle critique dans la dégradation microstructurale et la corrosion des aciers inoxydables, en formant des zones déchromées fragilisantes lors de traitements thermiques ou expositions à température intermédiaire.

📖 5. Effets du carbone et de l'azote sur la microstructure et la corrosion des aciers inoxydables

🔑 Notions clés & Définitions

• Teneur en carbone : Par exemple, l'acier AISI 4140 contient du chrome et du molybdène avec une teneur en carbone de 0,40%.

📝 Points essentiels

• Le carbone favorise la formation de carbures de chrome, pouvant provoquer la corrosion intergranulaire en appauvrissant localement le chrome.
• La teneur en carbone déplace la limite du domaine austénitique dans le diagramme Fe-Cr-C, avec un maximum d'effet vers 0,6 % C.
• L'azote stabilise fortement l'austénite, retardant la précipitation de composés intermétalliques et améliorant la résistance à la corrosion localisée.
• La réduction de la teneur en carbone à 0,03-0,05 % permet d'éviter les additions de titane et niobium pour stabiliser la microstructure.
• Il peut être responsable de la précipitation des carbures Cr23C6 dans les joints de grains provoquant un appauvrissement local en chrome au voisinage de ces grains → sensibilisation de ces aciers à la corrosion intergranulaire.
• Il est magnétique et moins résistant à la corrosion que l'austénitique.

💡 À retenir

Les éléments interstitiels carbone et azote influencent de manière cruciale la microstructure et la résistance à la corrosion des aciers inoxydables, notamment par leur rôle dans la formation et la précipitation de carbures et nitrures de chrome.

📖 6. Diagramme de Schaeffler : prédiction des microstructures selon les équivalents chrome et nickel

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de SCHAEFFLER : Le diagramme de Schaeffler est un outil précieux pour prédire la microstructure des soudures en acier inoxydable en fonction de leur composition chimique.
• Équivalent chrome (Cr-Eq) : Une grandeur calculée par la somme des pourcentages de chrome, molybdène, 1,5 fois le silicium et 0,5 fois le niobium, représentant les éléments ferritisants (α-gènes) dans l'acier inoxydable.
• Équivalent nickel (Ni-Eq) : Une grandeur calculée par la somme des pourcentages de nickel, 30 fois la somme du carbone et du nitrogène, et 0,5 fois le manganèse et le cuivre, représentant les éléments austénitisants (γ-gènes) dans l'acier inoxydable.
• Structure ferritique : Une microstructure composée uniquement de ferrite, obtenue lorsque l'équivalent chrome est significativement supérieur à l'équivalent nickel.

📝 Points essentiels

• L'équivalent chrome est calculé par : %Cr + %Mo + 1,5×%Si + 0,5×%Nb, représentant les éléments ferritisants (α-gènes).
• Le diagramme de Schaeffler permet de prédire la proportion de martensite, austénite et ferrite dans la microstructure finale selon les équivalents Cr et Ni.
• Une équivalence Cr >> Ni conduit à une structure ferritique pure, inversement une équivalence Ni >> Cr conduit à une structure austénitique pure, et des équivalences proches donnent une structure austéno-ferritique.
• Le diagramme n'est valable que dans un domaine restreint de concentrations et n'est pas applicable aux aciers corroyés et laminés sans ajustement.

💡 À retenir

Le diagramme de Schaeffler permet de prédire la proportion de martensite, austénite et ferrite dans la microstructure finale selon les équivalents Cr et Ni.

📖 7. Classification des aciers inoxydables selon leur structure et composition

🔑 Notions clés & Définitions

• Application : Employé dans les industries chimiques et pétrochimiques pour les réacteurs et les échangeurs de chaleur.
• Normes : Ensemble de règles internationales, comme la NF EN 10027, qui définissent les critères de désignation et de classification des aciers inoxydables selon leur composition chimique.
• Aciers totalement ou partiellement austénitiques : 26 Aciers totalement ou partiellement austénitiques Aciers austénitiques: a) Aciers au Chrome-Nickel: Type fondamental 18/8 avec des teneurs en carbone variables: < 0,12 %;
• Aciers non austénitiques : La classification adoptée est la suivante : *Aciers non austénitiques: - aciers martensitiques - aciers mixtes ferritiques-martensitiques - aciers ferritiques.

📝 Points essentiels

• Les aciers inoxydables sont classés en aciers martensitiques, ferritiques, austénitiques, mixtes austéno-ferritiques et austéno-martensitiques selon leur structure.
• Les aciers non austénitiques comprennent les aciers martensitiques, ferritiques et mixtes ferritiques-martensitiques, chacun ayant des propriétés spécifiques pour diverses applications.
• Les aciers totalement ou partiellement austénitiques incluent les aciers austénitiques purs et les aciers mixtes austéno-ferritiques ou austéno-martensitiques, utilisés dans des environnements corrosifs, à haute ou basse température.
• La classification par structure favorise la sélection d’un alliage adapté selon ses propriétés de résistance à la corrosion, mécanique, et ses conditions d’utilisation.
• 23 DIFFERENTES CLASSES D’ACIERS INOXYDABLES Classification: structure → composition Point de vue de la corrosion : les structures les plus favorables sont celles ne présentant qu’une seule phase homogène (ferrite pure, austénite pure).
• Utilisé dans les applications aéronautiques et spatiales.

💡 À retenir

Maîtriser la classification des aciers inoxydables selon leur structure et composition permet d’orienter le choix du matériau en fonction de ses propriétés spécifiques et de ses applications.

📊 Tableaux de Synthèse

Diagramme Fe-Cr: phases selon température et chrome

Classification des aciers inoxydables selon structure

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confusion entre aciers austénitiques et ferritiques sur leur magnétisme.
2. Erreur dans la compréhension de l'effet du carbone sur la corrosion intergranulaire.
3. Mésestimation de la stabilité de la phase sigma à haute température.
4. Confusion entre l'influence de l'azote et du carbone sur la microstructure.
5. Mauvaise interprétation du diagramme Schaeffler pour la prédiction microstructurale.
6. Erreur dans la classification des aciers selon leur structure.
7. Confusion entre les effets des éléments gamma-gènes et alphagènes.

✅ Checklist Examen

1. Comprendre la composition chimique des aciers inoxydables.
2. Identifier les différentes structures cristallines et leurs propriétés.
3. Analyser l'impact de la phase sigma sur la microstructure.
4. Interpréter le diagramme Fe-Cr et ses lignes de transition.
5. Évaluer l'effet du carbone et de l'azote sur la corrosion.
6. Utiliser le diagramme de Schaeffler pour prédire les microstructures.
7. Classer les aciers selon leur structure et composition.
8. Différencier aciers austénitiques, ferritiques, martensitiques et duplex.