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Acier inoxydable – Propriétés, nuances et applications

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La demande d’acier inoxydable augmente à un énorme 5% chaque année. En 2019, sa production mondiale a atteint plus de 52 millions de tonnes.

À l’heure actuelle, un grand nombre d’industries utilisent l’acier inoxydable. Outre les constructions traditionnelles et marines, les appareils électroménagers connaissent également une augmentation de leur utilisation.

Alors que l’acier inoxydable est plus cher que l’acier doux, ses excellentes propriétés conduisent à une durée de vie accrue et à un coût de cycle réduit. Les coûts initiaux plus importants sont donc payants à long terme.

Cet article examinera de plus près ce métal et ce qui le rend si populaire dans différentes industries.

Qu’est-ce que l’acier inoxydable?

Nous savons que l’acier est un alliage de fer et de carbone avec une teneur maximale en carbone de 2,1%. Les aciers inoxydables sont un groupe d’aciers résistants à la corrosion grâce à l’ajout d’éléments d’alliage.

Le terme acier inoxydable est utilisé pour décrire une famille d’environ 200 alliages d’acier avec des propriétés remarquables de résistance à la chaleur et à la corrosion. Le pourcentage de carbone peut aller de 0,03% à 1,2%.

Sa caractéristique distinctive est la grande quantité de chrome. L’acier inoxydable contient au moins 10,5% de chrome, ce qui améliore sa résistance à la corrosion et sa résistance.

Le chrome dans l’alliage crée une couche passive lors de l’oxydation lorsqu’il est exposé à l’air. Cette couche agit comme un bouclier contre une corrosion supplémentaire, ce qui rend essentiellement l’alliage antirouille. Ce mécanisme permet de conserver une apparence impeccable pendant de longues périodes dans des conditions de travail normales.

Avantages de l’acier inoxydable

L’acier inoxydable est utilisé avec un succès phénoménal dans diverses industries depuis plus de 70 ans. De plus en plus d’applications sont découvertes au fil des ans, à mesure que ses avantages sont plus largement identifiés.

Avec une augmentation de la demande, la production a augmenté, la rendant plus abordable que jamais. Une demande accrue se traduit par une disponibilité dans les tailles standard et non standard. En outre, une large gamme de finitions en acier inoxydable est disponible pour le choix.

Outre les finitions polies, toute une gamme de surfaces à motifs et colorées est disponible. Cela permet de trouver une option adaptée à vos besoins.

L’acier inoxydable est également recyclable à 100%. En fait, la moitié de toute la production d’acier inoxydable provient de la ferraille. Cela en fait un matériau relativement écologique.

Cas d’utilisation

L’acier inoxydable est un matériau extrêmement polyvalent. Il est préférable lorsque les propriétés de l’acier et de la résistance à la corrosion sont requises en tandem.

Sa première utilisation a été dans les couverts mais en raison de ses propriétés de résistance à la corrosion. Ensuite, il a trouvé son chemin vers l’industrie chimique. Aujourd’hui, on peut voir de l’acier inoxydable un peu partout.

Les cas d’utilisation varient d’une industrie à l’autre. Par exemple, les utilisations incluent la fabrication de minuscules pièces pour montres-bracelets. Dans le même temps, de grands panneaux avec une certaine finition de surface peuvent couvrir des bâtiments entiers.

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Quelques industries qui utilisent largement l’acier inoxydable:

  • Alimentation et restauration
  • Produits chimiques et pharmaceutiques
  • Fabrication d’équipements médicaux
  • Architecture et construction
  • Appareils électroménagers
  • Offshore et construction navale
  • Fabrication automobile
  • Énergie et industrie

Types d’acier inoxydable

Il existe de nombreuses nuances et finitions de surface de l’acier inoxydable selon l’environnement auquel le métal est censé résister. Sur la base de la microstructure, ils peuvent être classés en quatre grandes catégories.

Acier inoxydable austénitique

L’acier inoxydable austénitique a l’austénite comme microstructure principale. L’austénite est une solution solide de fer et de carbone qui prend naissance au-dessus de la température critique de 723 ° C. Cette famille d’aciers inoxydables présente une ténacité élevée et une résistance impressionnante aux températures élevées.

70% de tout l’acier inoxydable est austénitique. Il contient au moins 16% de chrome et 6% de nickel.

Les stabilisateurs austénitiques sont des éléments qui sont ajoutés pour provoquer la formation d’une microstructure d’austénite. Cette nuance d’acier inoxydable est un métal non magnétique et ne peut pas être durci par traitement thermique. La résistance à la corrosion peut être modifiée en fonction de l’environnement de service.

Acier ferritique inoxydable

Les aciers ferritiques ne contiennent généralement que du chrome comme élément d’alliage. La teneur en chrome varie de 10,5 à 18%. Ils ont une résistance moyenne à la corrosion et de mauvaises caractéristiques de fabrication. Les méthodes de traitement thermique ne permettent pas non plus de durcir le métal.

Ils ont généralement de meilleures capacités d’ingénierie que les grades austénitiques. Contrairement aux grades austénitiques, ils sont magnétiques. Ils ont également une bonne résistance à la corrosion sous contrainte, ce qui réduit l’usure des matériaux corrosifs.

Acier inoxydable duplex

Le duplex est un mélange d’acier inoxydable austénitique et ferritique. Ainsi, il a les propriétés de ses deux constituants. Il a une concentration élevée en chrome et en nickel. Avec une résistance à la traction élevée et une bonne soudabilité, les aciers inoxydables duplex offrent des avantages uniques.

Il présente une bonne résistance à la corrosion sous contrainte mais pas autant que les nuances ferritiques. Il est plus résistant que les nuances ferritiques mais inférieur à celui des nuances austénitiques.

Acier inoxydable martensitique

Ce type d’acier inoxydable est composé de carbone élevé et d’une faible teneur en chrome. Comme les nuances ferritiques, il est magnétique. Il présente une soudabilité médiocre par rapport à d’autres nuances mais il a une trempabilité supérieure et peut être traité thermiquement pour améliorer les propriétés.

L’acier inoxydable martensitique aura une résistance à la corrosion plus faible que les nuances austénitiques et ferritiques ayant la même teneur en chrome et en alliage.

Aciers inoxydables à durcissement par précipitation

Ce sous-groupe fournit une combinaison de propriétés austénitiques et martensitiques. Le durcissement est obtenu en ajoutant un ou plusieurs éléments tels que l’aluminium, le molybdène, le niobium, le titane et le cuivre.

Il est capable de développer une résistance à la traction élevée grâce à un traitement thermique. Il contient du chrome et du nickel comme éléments d’alliage. Ces nuances sont utilisées dans des applications à grande vitesse telles que les aubes de turbine.

Nuances d’acier inoxydable

Il existe aujourd’hui des centaines de nuances d’acier inoxydable sur le marché. Il est important de choisir la bonne pour votre application, car leurs propriétés peuvent être très différentes les unes des autres.

Le système AISI (American Iron and Steel Institute) pour nommer l’acier inoxydable est toujours utilisé par l’industrie. Le système de numérotation utilise des nombres à trois chiffres commençant par 2, 3 ou 4.

Série 200

Cette série est utilisée pour les grades austénitiques contenant du manganèse. Ces aciers au chrome-manganèse ont une faible teneur en nickel (inférieure à 5%).

La série 200 trouve son utilisation dans:

  • Machines à laver
  • Coutellerie
  • Matériel de restauration
  • Industrie automobile
  • Équipement intérieur, etc.

Série 300

Cette série est utilisée pour nommer les aciers inoxydables austénitiques avec du carbone, du nickel et du molybdène comme éléments d’alliage. L’ajout de molybdène améliore la résistance à la corrosion dans les environnements acides tandis que le nickel améliore la ductilité.

L’AISI 304 et 316 sont les nuances les plus courantes de cette série. L’AISI 304 est également connu sous le nom d’acier 18/8 car il contient 18% de chrome et 8% de nickel.

Récipients alimentaires en acier inoxydable
Plats chauds dans des récipients en acier inoxydable

Les applications en acier inoxydable de la série 300 comprennent:

  • Industrie agroalimentaire
  • Industrie automobile
  • Structurel pour les environnements critiques
  • Instruments médicaux
  • Bijoux, etc.

400 series

Les alliages ferritiques et martensitiques forment cette série d’acier inoxydable. Ces grades sont disponibles pour le traitement thermique. Fournissant une bonne combinaison de force et de résistance élevée à l’usure. Les propriétés de résistance à la corrosion sont cependant inférieures à la série 300.

Les applications de la série 400 comprennent:

  • Matériel agricole
  • Arbres moteurs
  • Pièces de turbines à gaz, etc.

Grades SAE

Le système de numérotation SAE utilise un code numérique UNS à 1 lettre + 5 chiffres pour désigner l’acier inoxydable. Le grade AISI 304 commun a S30400 comme désignation SAE. Alors que la plupart des grades ont une désignation, les grades exclusifs nouvellement développés peuvent être nommés par leurs propriétaires et ne pas avoir de code SAE.

Propriétés mécaniques de l’acier inoxydable

Si vous n’êtes pas sûr de la signification des propriétés décrites ci-dessous, vous pouvez consulter notre aperçu des propriétés des matériaux pour voir une explication plus détaillée de chacune.

Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable
Source: Matweb

Limite d’élasticité

Selon la nuance, l’acier inoxydable peut présenter une résistance élevée et un faible allongement ou des propriétés de faible résistance et d’élongation élevées. Ils se comparent très bien aux aciers au carbone en ce qui concerne la limite d’élasticité.

Résistance à hautes températures

L’acier inoxydable se comporte comparativement mieux que les autres aciers au carbone à des températures plus élevées. Il présente une meilleure résistance au feu en raison de son facteur de rétention à haute résistance à des températures élevées (supérieures à 500 ° C). Il a également un meilleur facteur de rétention de rigidité que l’acier au carbone au-dessus de 300 ° C.

Résistance à la traction

En ce qui concerne la résistance à la traction, l’acier inoxydable est supérieur aux matériaux comme l’aluminium, le laiton et l’acier doux.

La résistance à la traction la plus élevée est observée dans le durcissement par précipitation et les grades martensitiques. Ces nuances peuvent avoir des résistances à la traction deux fois plus élevées que les nuances omniprésentes 304 et 316. L’acier duplex, en particulier, présente un rapport résistance / ductilité élevé.

Résistance cryogénique

Certaines nuances d’acier inoxydable sont extrêmement aptes à gérer une plus large plage de températures. Les aciers austénitiques présentent une ténacité exceptionnelle et une résistance à la traction accrue à des températures inférieures à zéro. Cela élargit la portée de leur utilisation ouvrant considérablement de nouvelles voies pour les applications modernes.

Les grades de ferrite, martensitique et de durcissement par précipitation, d’autre part, ne sont pas aussi bons aux températures cryogéniques que leur ténacité plonge avec les températures en baisse.

Ductilité

La ductilité de différentes nuances d’acier inoxydable peut être considérablement différente. Certaines nuances ont une ductilité élevée permettant l’utilisation de processus d’emboutissage intensifs.

Taux d’écrouissage plus élevé

Cette propriété fait référence à la capacité d’un métal à augmenter sa résistance par des procédés de travail à froid. Les aciers inoxydables peuvent être recuits et travaillés à froid pour manipuler sa résistance au niveau souhaité.

Cela signifie que le même grade peut être utilisé dans plusieurs applications en faisant varier sa résistance. Par exemple, le même grade peut être utilisé comme ressort ou fil pliable par recuit et travail à froid.

Conductivité électrique et magnétisme

Propriétés électriques de l'acier inoxydable
Source: Matweb

Comme tous les métaux, l’acier inoxydable conduit l’électricité. Cependant, cette conductivité est extrêmement faible comme dans le cas de tous les aciers.

Dans les industries où les normes d’hygiène sont élevées ou où l’appareil électrique peut être soumis à des environnements corrosifs ou humides, des boîtiers en acier inoxydable sont utilisés pour la protection.

Les aciers inoxydables austénitiques sont non magnétiques, cependant, le travail à froid peut être utilisé pour induire des propriétés magnétiques dans certaines nuances. Tous les autres types présentent des propriétés magnétiques.

Propriétés chimiques de l’acier inoxydable

Les propriétés chimiques rendent ce matériau spécial et lui confèrent son caractère unique.

Haute résistance à l’oxydation

Cette propriété distinctive de l’acier inoxydable est responsable de ses nombreuses applications uniques dans l’industrie. La haute résistance à l’oxydation est le résultat du chrome dans l’acier inoxydable. Le pourcentage de chrome peut aller jusqu’à 26% dans certaines nuances.

D’autres métaux peuvent être protégés par des revêtements et des peintures anti-corrosion, mais une fois qu’ils se dissipent, la corrosion commence. Dans le cas de l’acier inoxydable, toute élimination du revêtement naturel d’oxyde de chrome due à des dommages de surface est suivie de la formation d’une nouvelle couche sur la surface exposée qui empêche la détérioration par la corrosion.

Biologiquement inerte

L’acier inoxydable est biologiquement inerte, ce qui en fait un choix logique pour les équipements médicaux tels que les outils chirurgicaux, les vis et plaques de traumatologie. Cette propriété en fait également un métal idéal pour les couverts et les appareils de cuisine.

Résistance aux acides, bases et matières organiques

L’acier inoxydable est résistant à une large gamme de composés. Il résiste aux acides, aux bases ainsi qu’aux composés organiques. La résistance aux acides varie selon les grades. Certains grades peuvent résister à des acides hautement concentrés tandis que d’autres ne peuvent résister qu’à de faibles concentrations.

Une non-réactivité similaire est observée avec les composés basiques et les composés organiques. Cela fait de l’acier inoxydable un matériau très approprié pour une utilisation dans les industries chimiques pour le stockage, la manutention et d’autres processus.

L’acier inoxydable résiste également facilement à l’humidité, au sel, au soufre, au dioxyde de carbone et aux chlorures. Cela l’aide à survivre dans plusieurs environnements difficiles pendant une période plus longue que la plupart des autres métaux.

Autres propriétés

Les propriétés importantes ne se limitent pas à la mécanique et à la chimie uniquement. Il y en a d’autres dans la liste ci-dessous qui sont utiles pour diverses applications.

Recyclabilité

Comme mentionné précédemment, le recyclage de l’acier inoxydable pour la fabrication de nouveaux produits est possible. Cela réduit la pression sur l’environnement pour nos besoins en acier en nécessitant moins de matières premières et en réduisant la formation de déchets.

Sa nature non biodégradable l’empêche également de contaminer les ressources car il ne se décompose pas et ne s’infiltre pas dans le sol ou les réservoirs d’eau.

Facile à travailler

L’acier inoxydable est hautement usinable et réalisable permettant à un concepteur de créer des formes et des produits complexes. La découpe laser en acier inoxydable, les services d’usinage CNC, le pliage, etc. sont tous disponibles sans équipement spécial.

Nettoyabilité

Les produits en acier inoxydable sont faciles à nettoyer avec des produits ménagers non toxiques tels que des détergents, des savons ou des liquides de nettoyage. Cela leur permet de rester neufs pendant longtemps, ce qui augmente la durée de vie.

Cela réduit en fin de compte le gaspillage et rend l’achat initial relativement coûteux en vaut la peine à long terme.

Attrait esthétique

Les produits en acier inoxydable ont un lustre élevé, ce qui en fait un choix idéal pour les surfaces exposées. Il est disponible dans une grande variété de finitions allant du brillant au mat. Il peut être brossé, gravé, gaufré et teinté pour un effet.

Éléments d’alliage

En ce qui concerne l’acier inoxydable, il existe un grand nombre de nuances disponibles. Selon l’élément d’alliage ajouté, les propriétés peuvent varier considérablement. Il revient aux exigences de l’application de sélectionner l’option rentable la plus appropriée.

Voyons quels éléments d’alliage peuvent être ajoutés et comment ils affectent le produit final.

Composition chimique de l'acier inoxydable
Source: Matweb

Chrome

Le chrome est l’élément d’alliage définissant en acier inoxydable. Il confère à l’acier sa propriété d’être «inoxydable». La couche passive d’oxyde de chrome ainsi que la protection de la surface bloquent également la diffusion de l’oxygène dans le métal, préservant ainsi la structure interne du métal de la corrosion.

Les ions d’oxyde de chrome sont également de taille similaire aux molécules d’acier, ce qui crée une forte liaison entre les deux. Cela permet aux ions oxyde de rester fortement attachés à la surface dans des conditions de travail normales.

Un minimum de 10,5% est nécessaire pour qu’un acier soit «inoxydable». Cependant, l’ajout d’encore plus de chrome est courant pour une résistance accrue à la corrosion.

Le chrome agit également comme stabilisateur de ferrite provoquant la formation de la microstructure de ferrite dans l’alliage.

Nickel

Du nickel est ajouté pour améliorer encore la résistance à la corrosion. C’est également un stabilisant d’austénite, provoquant la formation d’austénite.

L’ajout de 8 à 9% de nickel permet d’obtenir une structure entièrement austénitique qui offre d’excellentes propriétés de soudage. Une augmentation supplémentaire du pourcentage de nickel apporte de meilleures propriétés de maniabilité et de résistance à la corrosion.

Cuivre

Le cuivre agit également comme stabilisant d’austénite et améliore la propriété de résistance à la corrosion et d’écrouissage.

L’ajout produit des produits en acier inoxydable qui conviennent aux conditions de travail à froid nécessaires avec des vis et des clous.

Silicium

L’ajout de silicium améliore la résistance de l’acier inoxydable aux acides nitriques et sulfuriques hautement concentrés. Il provoque également la formation de ferrite et rend le métal résistant à l’oxydation.

Azote

L’azote est un stabilisateur d’austénite et il améliore la force et la résistance à la corrosion localisée. La corrosion localisée fait référence à des phénomènes tels que la corrosion par piqûres, la corrosion par crevasses et la corrosion intergranulaire.

Molybdène

Le molybdène et le tungstène améliorent les propriétés générales et localisées de résistance à la corrosion. Le premier est un stabilisateur de ferrite et, par conséquent, lorsqu’il est utilisé dans des alliages austénitiques, doit être équilibré avec des stabilisants d’austénite pour maintenir la composition d’austénite.

Le molybdène améliore également la résistance aux hautes températures lorsqu’il est ajouté à l’acier inoxydable martensitique. L’ajout de tungstène avec du molybdène améliore également les propriétés susmentionnées.

Manganèse

Le manganèse améliore les propriétés de résistance, de ténacité et de durcissement de l’acier inoxydable. L’ajout de manganèse aide le métal à mieux fonctionner dans les processus de travail à chaud.

Le manganèse favorise également la solution d’azote dans l’acier inoxydable et peut donc être ajouté pour remplacer le nickel dans l’acier inoxydable par de l’azote.

Conclusion

L’acier inoxydable apporte une résistance à la corrosion et à la chaleur en plus des propriétés conventionnelles de l’acier. Il offre tous les avantages de l’acier ainsi que quelques-uns des siens. Il ne se corrode pas facilement, supporte mieux les environnements difficiles et a une durée de vie plus longue.

Mais il n’est pas tout à fait vrai qu’il soit résistant aux taches. Premièrement, la résistance à la corrosion dépend du grade. Cependant, des conditions environnantes anormales telles qu’un faible taux d’oxygène, une mauvaise circulation et une salinité élevée peuvent la tacher de manière irréversible.

Malgré les risques ci-dessus, l’acier inoxydable est un matériau merveilleux et a un impact très positif sur l’industrie dans son ensemble. En raison de tant de grades aux propriétés différentes, il existe toujours un grade parfait pour une application. Il est essentiel de choisir judicieusement le grade pour garantir un investissement rentable.

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