Acier inoxydable austénitique

Austénitique | Martensitique | Ferritique | Duplex | Super Duplex | Superaustenitique | Superferritique | Durcissement par précipitation

L'acier inoxydable austénitique domine le marché. Ce groupe comprend l'acier inoxydable très courant AISI 304 et AISI 316 mais aussi l'acier plus fortement allié AISI 310S et ASTM N08904 / 904L

Les aciers austénitiques se caractérisent par leur teneur élevée en formateurs d'austénite, notamment nickel. Ils sont également alliés au chrome, au molybdène et parfois au cuivre, titaneL'alliage avec l'azote augmente la limite d'élasticité des aciers. L'alliage avec l'azote augmente la limite d'élasticité des aciers.

Les aciers inoxydables austénitiques ont un très large éventail d'applications, par exemple dans l'industrie chimique et l'industrie alimentaire. Les aciers sans molybdène ont également de très bonnes propriétés de résistance à la corrosion. haute température Ils sont donc utilisés dans les fours et les échangeurs de chaleur. Leur bonne résistance aux chocs à basse température est souvent exploitée dans des appareils tels que les réservoirs pour liquides cryogéniques.

Austénitique acier inoxydable ne peut être durcie par traitement thermique. Ils sont normalement fournis dans le trempe–recuit Ils sont donc souples et très malléables.

Le travail à froid augmente leur dureté et la résistance. Certaines nuances d'acier sont donc fournies à l'état étiré à froid ou laminé dur. Austénitique L'acier inoxydable présente une grande ductilité, une faible limite d'élasticité et une valeur limite relativement élevée résistance à la tractionpar rapport à un acier au carbone classique.

Un acier au carbone qui refroidit se transforme en Austenite à un mélange de ferrite et de cémentite. Avec les tubes en acier inoxydable austénitique, la teneur élevée en chrome et en nickel supprime cette transformation et maintient le matériau entièrement austénitique lors du refroidissement (le nickel maintient la phase austénitique lors du refroidissement et le chrome ralentit la transformation, de sorte qu'une structure entièrement austénitique peut être obtenue avec seulement 8% de nickel). 

Traitement thermique et le cycle thermique provoqué par le soudage, ont peu d'influence sur les propriétés mécaniques. Cependant, la résistance et la dureté peuvent être augmentées par travail à froidqui réduira également la ductilité. Un recuit complet de mise en solution (chauffage à environ 1045°C suivi d'une trempe ou d'un refroidissement rapide) rétablit le matériau dans son état d'origine, en éliminant la ségrégation de l'alliage, la sensibilisation, la phase sigma et en rétablissant la résistance à l'usure. ductilité après l'écrouissage. Malheureusement, le refroidissement rapide réintroduit des contraintes résiduelles, qui peuvent atteindre la limite d'élasticité. Des déformations peuvent également se produire si l'objet n'est pas correctement soutenu pendant le processus de recuit.

L'acier austénitique n'est pas sensible à la fissuration par l'hydrogène, c'est pourquoi le préchauffage est rarement nécessaire, sauf pour réduire le risque de contraintes de retrait dans les sections épaisses. Post-soudure traitement thermique est rarement nécessaire, car ce matériau présente une résistance élevée à la rupture fragile. fissuration par corrosion sous contrainteToutefois, cela risque d'entraîner une sensibilisation, à moins d'utiliser une qualité stabilisée (un allègement limité des contraintes peut être obtenu avec un faible taux d'humidité). température d'environ 450°C ). Tableau de comparaison acier inoxydable austénitique / acier inoxydable super austénitique

L'image montre la microstructure d'un acier inoxydable austénitique.

Essai métallographique - Essai métallographique
Rapport d'essai métallographique

Les aciers austénitiques ont une structure atomique F.C.C. qui offre plus de plans pour l'écoulement des dislocations, combinée au faible niveau d'éléments interstitiels (éléments qui bloquent la chaîne de dislocations), ce qui confère à ce matériau sa bonne ductilité. Cela explique également pourquoi ce matériau n'a pas de limite d'élasticité clairement définie, raison pour laquelle sa limite d'élasticité est toujours exprimée en tant que contrainte d'épreuve. Les aciers austénitiques présentent une excellente ténacité jusqu'à la température absolue (-273°C), sans transition abrupte entre ductilité et fragilité. 

Ce matériau présente une bonne résistance à la corrosion, mais une corrosion assez importante peut se produire dans certains environnements. Le bon choix du consommable et de la technique de soudage peut être crucial, car le métal soudé peut se corroder davantage que le matériau de base.

La principale cause de défaillance des installations sous pression en acier inoxydable est probablement la fissuration par corrosion sous contrainte (S.C.C). Ce type de corrosion forme des fissures profondes dans le matériau et est causé par la présence de chlorures dans le fluide de traitement ou l'eau de chauffage/vapeur (un bon traitement de l'eau est essentiel), à une température supérieure à 50°C, lorsque le matériau est soumis à une contrainte de traction (cette contrainte inclut la contrainte résiduelle, qui peut atteindre la limite d'élasticité). Des augmentations significatives de nickel et de molybdène réduiront le risque. 

L'acier inoxydable présente un film d'oxyde très fin et stable, riche en chrome. Ce film se reforme rapidement par réaction avec l'atmosphère s'il est endommagé. Si le tube en acier inoxydable n'est pas suffisamment protégé de l'atmosphère pendant le soudage ou s'il est soumis à des opérations de meulage très lourdes, une couche d'oxyde très épaisse se forme. Cette couche d'oxyde épaisse, qui se distingue par sa teinte bleue, est recouverte d'une couche appauvrie en chrome, ce qui nuit à la résistance à la corrosion. La couche d'oxyde et la couche appauvrie doivent être éliminées, soit mécaniquement (le meulage avec un grain fin est recommandé, le brossage métallique et le grenaillage auront moins d'effet), soit chimiquement (décapage à l'acide avec un mélange d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique). Une fois nettoyée, la surface peut être passivée chimiquement pour améliorer la résistance à la corrosion (la passivation réduit la réaction anodique impliquée dans le processus de corrosion).

Les outils en acier au carbone, ainsi que les supports ou même les étincelles provenant du meulage de l'acier au carbone, peuvent incruster des fragments dans la surface du tuyau en acier inoxydable. Ces fragments peuvent ensuite rouiller s'ils sont humidifiés. Il est donc recommandé d'effectuer la fabrication de l'acier inoxydable dans une zone séparée et d'utiliser des outils spéciaux en acier inoxydable dans la mesure du possible.

 Si une partie de l'acier inoxydable est chauffée entre 500 et 800 degrés pendant une durée raisonnable, le chrome risque de former des carbures de chrome (un composé formé avec le carbone) avec le carbone présent dans l'acier. Cela réduit la quantité de chrome disponible pour former le film passif et entraîne une corrosion préférentielle qui peut être grave. Ce phénomène est souvent appelé "sensibilisation". Il est donc conseillé, lors du soudage de l'acier inoxydable, d'utiliser un faible apport de chaleur et de limiter la température maximale d'interpassage à environ 175°, bien que la sensibilisation des qualités modernes à faible teneur en carbone soit peu probable, à moins qu'elles ne soient chauffées pendant des périodes prolongées. De petites quantités de titane (321) ou de niobium (347) ajouté pour stabiliser le matériau inhibe la formation de carbures de chrome.

Pour résister à l'oxydation et au fluage, des qualités de carbone élevées telles que 304H ou 316H sont souvent utilisés. Leur meilleure résistance au fluage est due à la présence de carbures et à la taille de grain légèrement plus grossière associée à des températures de recuit plus élevées. La teneur plus élevée en carbone entraînant inévitablement une sensibilisation, il peut y avoir un risque de corrosion pendant les arrêts d'usine, c'est pourquoi on peut préférer des qualités stabilisées telles que 347H.

La résistance à la solidification de l'acier inoxydable austénitique peut être sérieusement altérée par de faibles ajouts d'impuretés telles que le soufre et le phosphore, ce qui, associé au coefficient de dilatation élevé des matériaux, peut entraîner de graves problèmes de fissuration par solidification. La plupart des 304 sont conçus pour se solidifier initialement sous forme de ferrite delta, qui présente une solubilité élevée pour le soufre, et se transforment en austénite lors d'un refroidissement ultérieur. Il en résulte un matériau austénitique contenant de minuscules taches de ferrite delta résiduelle, qui n'est donc pas un véritable matériau austénitique au sens strict du terme. Le métal d'apport contient souvent des ajouts supplémentaires de ferrite delta pour garantir des soudures sans fissures.

La ferrite delta peut se transformer en une phase très fragile appelée sigma, si elle est chauffée à plus de 550°C pendant des périodes très prolongées (cela peut prendre plusieurs milliers d'heures, en fonction du niveau de chrome). Un acier inoxydable duplex peut former une phase sigma après seulement quelques minutes à cette température).

Le coefficient de dilatation très élevé associé à ce matériau signifie que la distorsion lors du soudage peut être très importante. J'ai vu des brides à anneau épais sur des appareils à pression se tordre après le soudage à un point tel qu'il était impossible d'assurer l'étanchéité. La contrainte thermique est un autre problème majeur associé aux acier inoxydableUne défaillance prématurée peut se produire sur une installation sous pression chauffée par une enveloppe ou des bobines attachées à un vecteur froid. Ce matériau a une mauvaise conductivité thermique, c'est pourquoi un courant de soudage plus faible est nécessaire (typiquement 25% de moins que l'acier au carbone) et des préparations de joints plus étroites peuvent être tolérées. Tous les procédés de soudage courants peuvent être utilisés avec succès, mais les taux de dépôt élevés associés au SAW peuvent provoquer des fissures de solidification et éventuellement une sensibilisation, à moins que des précautions adéquates ne soient prises. 

Pour garantir une bonne résistance à la corrosion de la racine de la soudure, celle-ci doit être protégée de l'atmosphère par un écran de gaz inerte pendant le soudage et le refroidissement qui s'ensuit. La protection gazeuse doit être contenue autour de la racine de la soudure par un barrage approprié, qui doit permettre un flux continu de gaz à travers la zone. Le soudage ne doit pas commencer avant qu'un temps suffisant se soit écoulé pour permettre au volume de gaz de purge circulant à travers le barrage d'être au moins égal à 6 fois le volume contenu dans le barrage (EN1011 partie 3 recommande 10). Une fois la purge terminée, le débit de purge doit être réduit de manière à n'exercer qu'une faible pression positive, suffisante pour exclure l'air. Si une bonne résistance à la corrosion de la racine est requise, le niveau d'oxygène dans le barrage ne doit pas dépasser 0,1% (1000 ppm) ; pour une résistance extrême à la corrosion, ce niveau doit être réduit à 0,015% (150 ppm). Les gaz d'appoint sont généralement l'argon ou l'hélium ; l'azote est souvent utilisé comme alternative économique lorsque la résistance à la corrosion n'est pas critique ; l'azote + 10% d'hélium est meilleur. Il existe une grande variété de pâtes et de matériaux de support exclusifs qui peuvent être utilisés pour protéger la racine à la place d'un bouclier gazeux. Dans certaines applications où la corrosion et l'oxydation de la racine de la soudure ne sont pas importantes, telles que les grandes conduites en acier inoxydable, aucune protection gazeuse n'est utilisée.
Teneur en carbone :
304L grade Low Carbon, typiquement 0.03% Max
304  grade Carbone moyen, typiquement 0,08% Max
304H grade High Carbon, typiquement jusqu'à 0,1% 

Plus la teneur en carbone est élevée, plus la limite d'élasticité est importante. (D'où l'avantage en termes de résistance d'utiliser des qualités stabilisées).

Contenu typique de l'alliage

Toutes les qualités d'acier inoxydable susmentionnées sont des variantes de base de l'acier 304. Toutes sont facilement soudables et toutes ont des consommables adaptés, à l'exception du 304 qui est soudé avec un 308 ou un 316, du 321 qui est soudé avec un 347 (le titane n'est pas facilement transféré à travers l'arc) et du 316Ti qui est normalement soudé avec un 318. 

Le molybdène a le même effet sur la microstructure que le chrome, sauf qu'il offre une meilleure résistance à la corrosion par piqûres. Par conséquent, un 316 a besoin de moins de chrome qu'un 304.  

Références connexes :
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