Propriétés et familles d’aciers inoxydables

APPLICATIONS DES ACIERS INOXYDABLES

Les différents types d’acier inoxydable et leurs principales propriétés.

L’acier inoxydable est un matériau qui, par définition, ne doit pas rouiller, ne doit pas s’oxyder. Son nom lui donne un gage de garantie.

Cette résistance à la corrosion n’est pas la seule propriété qu’on lui confère :

• son recyclage total

• sa résistance en température : plancha, pot d’échappement, intérieur de four, cheminée …

• sa neutralité biologique : alimentaire, pharmacie, cosmétique, eaux

• l’esthétisme et l’anti-vandalisme : mobilier urbain, façade et intérieur d’ascenseurs

Il est utilisé dans de nombreux domaines car il est malléable, résistant, peu résilient et facile d’entretien : son « revêtement anticorrosion est intégré ». On distingue différentes familles d’acier inoxydable qui ont chacune leurs propriétés et donc leur application.

D’abord, la définition de la norme EN 10020 explique :

Acier à 1,2% carbone maxi et 10,5% Chrome mini

Attention, les critères d’alimentarité d’un acier inoxydable sont liés à la composition chimique. Ceci implique en plus de ces 2 conditions, des teneurs minimales et maximales sur certains éléments d’addition.

L’arrêté de 1976 impose en 1er lieu pour un acier inoxydable d’une teneur en chrome supérieure à 11,5%. Il demande aussi des limites maximales à 4% pour le cuivre, le molybdène, le titane et l’aluminium, et des limites maximales à 1% pour le niobium, le tantale et le zirconium. (voir https://www.legifrance.gouv.fr/jorf/id/JORFTEXT000000637961)

Familles des aciers inoxydables

Grâce aux éléments d’addition, nous obtenons 4 familles qui portent le nom de leur structure métallurgique :

Ce tableau regroupe les éléments de base pour chaque famille. La distinction de chaque famille se place d’une part sur les éléments de base chrome et carbone et d’autre part sur les éléments d’addition apportant des spécifiés comme le nickel ou l’azote pour leurs propriétés structurales et mécaniques ou le titane et le niobium pour la soudabilité.

Les applications présentées ci-dessus montrent la diversité des domaines d’utilisation de chaque famille mais également illustrent les particularités mécaniques de chacune.

Propriétés et applications

Chaque famille est désignée par le nom de sa structure métallurgique et chaque structure se caractérise par des propriétés physiques et mécaniques spécifiques. Ces dernières permettent alors d’apporter une réponse à des sollicitations de fabrication ou d’utilisation des équipements.

Au sein de chaque famille, une répartition répartit les nuances par groupe, en fonction des la composition chimique et du niveau de propriétés attendues. Sans entrer dans les détails des classes, reprenons chaque famille pour comprendre les applications s’y attenant.

Les aciers inoxydables martensitiques

Les aciers inoxydables martensitiques, de par leur grand pourcentage de carbone, ont de très bonnes caractéristiques mécaniques c’est-à dire une haute résistance mécanique à la traction Rm, une dureté élevée et un allongement très faible. Pour la résistance à la corrosion, il convient de dire qu’ils résistent à la corrosion atmosphérique bien mieux que les aciers standards mais qu’ils sont très rapidement en difficulté dans des milieux agressifs. L’illustration donnée par le « couteau » correspond à ces constats généralistes.

Ci-après, l’extrait normatif de l’EN 10088 (https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/resultats?Keywords=en+10088-2&StandardStateIds=1) de quelques propriétés mécaniques à température ambiante de 4 nuances permet d’avoir l’étendue des applications en résumant les fiches techniques :

A = recuit, QT = trempé revenu, ST = sens travers

Les aciers inoxydables ferritiques

Pour les aciers inoxydables ferritiques, leur point faible est leur sensibilité aux traitements thermiques et la fragilité qui les accompagne. Que ce soient la fragilisation à 475°C, le grossissement de grain ou la phase sigma, il convient d’éviter les plages de températures de ces phénomènes. Ainsi, elles regroupent une grande étendue ce qui contraint à limiter leur traitement thermique au strict nécessaire.

Ils seront donc utilisés sous forme de tôles (faible massivité) pour conserver un peu de ductilité ; l’épaisseur des pièces est synonyme de fragilité. Par conséquent, ils sont absents en fonderie et dans la norme EN 10283 : « Aciers moulés résistants à la corrosion ».

A contrario, leur intérêt est lié à l’absence de nickel dans la composition chimique, qui leur donne une attractivité financière non négligeable. L’ajout d’éléments chimiques comme le titane, niobium et zirconium leur permet d’augmenter leur soudabilité et la résistance à la corrosion et ainsi permet d’étendre la gamme de leurs applications : de la décoration de façades d’équipements ménagers au système d’échappement et brûleurs.  

Le tableau ci-après reprend quelques fiches techniques :

LAC = laminé à chaud

Les aciers inoxydables austénitiques

Les aciers inoxydables austénitiques sont ceux qui sont le plus répondus, les plus utilisés et les plus connus, notamment via leur amagnétisme (ils sont non magnétiques). Compte tenu de cette antériorité, ils comptent un très grand nombre de nuance destinées à tous les domaines.

Déformables facilement pour toutes les mises en œuvre, résistants à la corrosion dans de nombreux milieux agressifs, ils sont très utilisés dans le transport, notamment en cryogénie, et le stockage de fluides divers : agro-alimentaire, chimie, nucléaire … Victimes de la spéculation financière du nickel dans leur élaboration - le nickel apporte la ductilité, l’amagnétisme et favorise la repassivation- les utilisateurs se sont tournés vers d’autres familles sans nickel telles que les ferritiques et les duplex. Cependant, leurs domaines de prédilection restent l’agro-alimentaire, les industries pharmaceutiques et chimiques et le nucléaire.

Quelques nuances phares sont reprises plus bas avec leurs propriétés et applications principales.

LAC = laminé à chaud, LAF = laminé à froid

A noter que la nuance 1.4306 peut correspondre à la nuance AISI 304L et que la nuance 1.4404 à celle d’un AISI 316L. Les distinctions s’établissent uniquement sur des fourchettes analytiques un peu différentes.

Les aciers inoxydables austéno-ferritiques

Elaborés dans les années 60-70 par Creusot Loire, les aciers inoxydables austéno-ferritiques ou DUPLEX étaient destinés à la pétrochimie grâce à des propriétés mécaniques et une résistance à la corrosion supérieures au aciers inoxydables austénitiques. En effet, ils ont des caractéristiques mécaniques élevées alliées à une ductilité et une ténacité satisfaisante, pour des domaines d’utilisation contraignants comme en off-shore par exemple.

Leur tenue à la corrosion est améliorée liée à un taux élevé en chrome et molybdène. Leur résistance à la corrosion par piqures est reconnue en milieu chloré. Aujourd’hui, leur développement vers des nuances « moins sophistiquées » leur permet de contrebalancer les aciers inoxydables austénitiques des domaines d’application courante, tout en gagnant en épaisseur.

Leur problématique est liée à la fragilité métallurgique de leur microstructure : la phase ferritique qui limite leur utilisation dans des domaines de -40°C à 275°C et la phase sigma générée par les opérations de la plage de températures 600-800°C (traitement thermique, soudage…) qui diminue notablement la résilience.

Les propriétés et applications des 4 nuances ci-dessous sont regroupées dans le tableau résumé.

La désignation DUPLEX est relative au PRE (Pitting Resistance Equivalent) qui est compris entre 30 et 40. Il existe des LEAN DUPLEX avec un PRE plus faible compris entre 20 et 30 ou des SUPER DUPLEX quand le PRE est compris entre 40 et 50. Les HYPER DUPLEX ont un PREN supérieur à 50.

Choisir un acier inoxydable

Face à ce panel de familles et de nuances, le concepteur a l’embarras du choix. Il s’attache à répondre aux sollicitations demandées par son équipement : les sollicitations de service mais aussi les sollicitations liées à la fabrication et mise en œuvre. Cette compilation détermine les propriétés mécaniques nécessaires ce qui oriente vers la structure métallurgique adéquate.

Tel qu’on l’a décrit plus haut, dans les aciers inoxydables, « structure » équivaut à « famille », ce qui ouvre vers un certain nombre de nuance. Les habitudes de travail avec ces nuances sont rapidement contagieuses. Il arrive de voir des évolutions intéressantes sur la permutation d’une nuance vers une autre. Les coûts économiques sont souvent à l’origine de ces modifications d’habitudes.

A titre d’exemple, l’emballement de l’extra d’alliage des austénitiques avec l’augmentation du prix du nickel a permis de développer des nuances de remplacement sans nickel ou avec moins de nickel. L’exemple type est celui des ballons d’eau chaude : à l’origine, l’acier inoxydable utilisé était un acier inoxydable austénitique de type 304L/316L ou 1.4306/1.4404.

L’évolution des prix sur le nickel a permis d’explorer des aciers inoxydables ferritiques, puis des aciers inoxydables Lean Duplex avec, dans ce cas, un gain sur l’épaisseur et le poids des produits. Aujourd’hui, cet équipement est un produit mixte qui attend la prochaine évolution du domaine métallurgique.

A chaque application, plusieurs nuances d’aciers inoxydables sont adaptables.