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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 155 − 1 Traitements thermiques des aciers inoxydables par Hervé SASSOULAS Ingénieur civil des Mines Ingénieur de recherche. Centre de recherches d’Ugine. Ugine - Savoie es aciers inoxydables peuvent subir différents traitements thermiques. I Des traitements thermiques dits de qualité appliqués aux aciers inoxydables aﬁn de leur conférer leurs propriétés d’usage : caractéristiques mécaniques ou résistance à la corrosion. Ces traitements de qualité sont prati- qués tard dans la gamme soit par le sidérurgiste, soit par l’utilisateur ﬁnal de l’acier. Les traitements assurant une bonne résistance à la corrosion ont tous pour but de rendre la teneur en chrome du métal la plus homogène possible en évitant toute précipitation de phases riches en chrome (carbonitrures de chrome, ou phases intermétalliques riches en chrome) et donc toute diminution de la teneur en chrome dans les zones avoisinantes. En effet, c’est le chrome qui assure l’inoxydabilité des aciers inoxydables et une teneur en chrome supérieure à 10,5 % en tout point du métal est à cet égard indispensable. 1. Traitements thermiques appliqués aux différentes familles d’aciers inoxydables................................................................................ M 1 155 - 2 1.1 Aciers inoxydables martensitiques............................................................ — 2 1.2 Aciers inoxydables ferritiques.................................................................... — 8 1.3 Aciers inoxydables ferrito-martensitiques ................................................ — 10 1.4 Aciers inoxydables austénitiques............................................................... — 10 1.5 Aciers inoxydables austéno-ferritiques ..................................................... — 13 1.6 Aciers inoxydables à durcissement par précipitation .............................. — 14 2. Détensionnement des aciers inoxydables austénitiques ............. — 17 3. Traitements thermiques après soudage ............................................ — 18 3.1 Aciers martensitiques.................................................................................. — 18 3.2 Aciers ferritiques.......................................................................................... — 18 3.3 Aciers austénitiques .................................................................................... — 19 3.4 Aciers austéno-ferritiques........................................................................... — 19 3.5 Aciers à durcissement par précipitation.................................................... — 19 4. Contrôle des propriétés de la surface : fours et atmosphères ... — 19 4.1 Fours à bains de sels................................................................................... — 19 4.2 Fours à gaz ................................................................................................... — 19 4.3 Atmosphères protectrices........................................................................... — 19 4.4 Traitements thermiques à l’air.................................................................... — 20 4.5 Défauts de surface dus aux traitements thermiques................................ — 20 5. Grossissement du grain des aciers inoxydables............................. — 21 5.1 Aciers inoxydables ferritiques.................................................................... — 21 5.2 Aciers inoxydables martensitiques et austénitiques................................ — 21 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 1 155 L TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS INOXYDABLES ______________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. M 1 155 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques D’autre part et même si la caractéristique première des aciers inoxydables est leur tenue à la corrosion, il convient de se rappeler qu’ils peuvent par traitement thermique approprié acquérir des caractéristiques mécaniques ou une dureté non négligeables, ce qui peut permettre des économies de matière, un allègement des structures, ou tout simplement l’aptitude à une utilisation donnée. En parallèle, il faut conserver une ductilité sufﬁsante au métal compte-tenu de l’appli- cation. Pour certaines nuances, c’est une fragilisation que l’on cherche à éviter, ce qui interdit les maintiens dans certaines plages de température. I Des traitements impliquant une certaine déformation du métal et qui ne peuvent donc être mis en œuvre que lors d’une mise en forme : il s’agit alors de traitements thermomécaniques, pratiqués par le sidérurgiste. Ces traitements thermiques ou thermomécaniques sont évidemment différents selon la structure métallurgique recherchée à la température ambiante : ferritique, martensitique, austénitique, ou mixte (ferrito-martensitique ou austéno-ferritique). Les traitements sont donc présentés, dans cet article, en fonc- tion des différentes familles d’aciers inoxydables. I Des traitements de détensionnement des contraintes dont les effets, tout au moins recherchés, sont plus mécaniques que métallurgiques. I Des traitements appliqués après soudage pour restaurer les propriétés du métal, en particulier en zone affectée par la chaleur. Lors de l’exécution de ces divers traitements thermiques, il importe de prendre un certain nombre de précautions. I La nature du ﬂuide caloporteur utilisé lors du traitement thermique ayant une incidence sur la composition chimique en peau de pièce (perte ou apport d’éléments chimiques) et donc sur les propriétés de surface de l’acier inoxydable, en particulier sa brillance, sa dureté et sa résistance à la corrosion. Les atmo- sphères à utiliser lors des traitements thermiques varient en fonction des qualités souhaitées en surface de produit, et des défauts pouvant résulter d’atmosphères inadaptées. I Certaines conditions de traitement thermique portant sur le couple temps- température doivent être respectées aﬁn d’éviter un grossissement de grain excessif, il s’agit ici de limiter le temps de traitement, tout en lui gardant une valeur sufﬁsante pour atteindre son but, en général une dissolution de précipités. 1. Traitements thermiques appliqués aux différentes familles d’aciers inoxydables 1.1 Aciers inoxydables martensitiques Leur structure totalement martensitique confère à ces aciers une limite d’élasticité, une résistance, ainsi qu’une dureté élevées. Leur ductilité est par contre moindre que celle des aciers inoxydables ferritiques ou austénitiques et, aﬁn de l’améliorer, les aciers inoxydables martensitiques subissent en général un traitement de revenu plus ou moins prononcé. Comme tous les aciers inoxydables, les aciers inoxydables martensitiques contiennent au moins 11 % de chrome. La structure martensitique peut être obtenue par addition de carbone ou de nickel. L’apport de carbone peut aller jusqu’à 1,4 %. Cet élément aug- mente fortement la dureté de l’acier, car d’une part il accroît la dureté de la martensite, et d’autre part il provoque l’apparition de carbures. Le carbone peut être en partie remplacé par de l’azote. Les additions de nickel peuvent aller de 1,5 à 5 %. Cet élément a une inﬂuence sur la dureté beaucoup plus faible que celle du carbone et il est utilisé pour améliorer la ductilité. Il est beaucoup plus onéreux que le carbone. Pour la présentation qui suit, nous avons choisi de classer les aciers martensitiques en quatre groupes principaux : — groupe 1 : C < 0,15 % - 11,5 % < Cr < 13,5 % - Ni < 1 % ; — groupe 2 : 0,15 % < C < 0,5 % - 12 % < Cr < 16 % - Ni < 1 % ; — groupe 3 : 0,6 % < C < 1,4 % - 16 % < Cr < 18 % - Ni < 1 % ; — groupe 4 : C < 0,2 % - 12 % < Cr < 18 % - 1,5 % < Ni < 5 %. ______________________________________________________________________________________ TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS INOXYDABLES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 155 − 3 Pour les groupes 1 à 3, c’est la dureté qui est visée en premier lieu. Si l’on augmente la teneur en carbone, il faut augmenter la teneur en chrome car le chrome consomme une partie du chrome par formation de carbures. Les aciers des groupes 2 et 3 peuvent être additionnés de molybdène, pour des impératifs de tenue à la corrosion. Pour le groupe 4, c’est un bon compromis résistance-ductilité qui est visé ; il est obtenu par emploi de nickel. Les aciers à durcis- sement structural (cf. § 1.6.2 et 1.6.3) ont des compositions proches avec parfois plus de nickel et addition d’au moins un autre élément (Ti, Al, Cu, Mo, Nb). 1.1.1 Trempe martensitique par refroidissement continu L’obtention d’une structure totalement martensitique exige de tremper à partir d’un domaine monophasé austénitique (γ). Les ﬁgures 1 et 2 coupes pseudo-binaires du diagramme d’équilibre ternaire fer-chrome-carbone, permettent de situer le domaine γ en fonction des teneurs en chrome et en carbone. On peut par exemple, pour une teneur en chrome donnée, déter- miner la teneur minimale en carbone pour que le domaine γ existe (ﬁgure 2). La ﬁgure 2a indique que pour 13 % de chrome 0,055 % de carbone sufﬁsent à assurer l’existence du domaine γ (aciers des groupes 1 et 2). La ﬁgure 2b indique qu’à 17 % de chrome, il faut 0,31 % de carbone environ pour assurer cette existence (aciers du groupe 3). La température de trempe doit être supérieure au point de trans- formation Ac3 qui se situe entre 800 et 920 oC suivant la composition de l’acier [19]. Si l’on augmente la température de trempe au-delà d’Ac3 , la dureté obtenue augmente par suite de la dissolution des carbures dans l’austénite : la martensite formée au refroidissement, plus riche en carbone, est plus dure. Cependant, deux phénomènes viennent limiter cette augmentation de la dureté avec celle de la température de trempe. Au-delà de 1 050 oC, pour certaines nuances (C > 0,20 %), la teneur en carbone de l’austénite avant trempe devient telle que l’austénite est trop stable et que la structure après trempe comporte une part d’austénite résiduelle, ce qui abaisse la dureté. D’autre part, au-delà de 1 100 à 1 150 oC et pour d’autres compositions (bas carbone), on peut entrer dans le domaine biphasé α + γ et la structure après trempe risque alors de contenir de la ferrite. Cette présence de ferrite est particulièrement à craindre dans le cas des aciers du groupe 4. Lors du refroidissement d’un uploads/Sante/ corrosion-en-milieu-aqueux-des-metaux-et-alliages.pdf