Aciers et alliages aux propriétés spéciales
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Les aciers et les alliages aux propriétés spéciales sont conçus lorsque la durabilité d’un composant n’est plus déterminée uniquement par des paramètres mécaniques classiques, mais qu’une fonction dominante prend le dessus : la résistance à l’usure, la résistance à la corrosion, la stabilité à hautes températures, ou des caractéristiques physiques délibérément façonnées, telles qu’une résistance électrique élevée, une dilatation thermique spécifique, ou des propriétés magnétiques.
Dans ces matériaux, la composition chimique et le traitement ne sont pas choisis « de manière générale », mais directement en fonction du mécanisme qui doit fonctionner durant l’utilisation. Le matériau doit se durcir dans la couche superficielle, se passiver dans un environnement donné ou former une couche protectrice dans les gaz chauds.
Dans la pratique, il existe très rarement un alliage qui soit « résistant à tout ». La résistance à la corrosion dépend fortement du type d’environnement, celle à l’abrasion dépend de la prédominance du « meulage », du frottement ou bien de l’usure sous haute pression et sous impact. Il va de soi que les propriétés à haute température doivent être considérées séparément comme résistance à la chaleur, sur l’aspect résistance à l’oxydation, et résistance à la chaleur, sur l’aspect résistance au fluage. Par conséquent, une description pertinente des aciers spéciaux repose sur la compréhension de « ce qui produit l’effet » et de « ce que sont les conditions limite », plutôt que sur la mémorisation de quelques noms.
Aciers résistants à l’abrasion
Un matériau très caractéristique, présentant une résistance élevée à l’abrasion, est l’acier austénitique au manganèse 11G12, contenant environ 1 à 1,3 % de carbone et 11 à 14 % de manganèse Mn, avec un rapport carbone/manganèse recommandé proche de 1:10, car seule une teneur en carbone suffisante garantit la durabilité de la structure austénitique.
Cet acier, connu sous le nom d’acier Hadfield, du nom de Sir Robert Hadfield, se distingue par un ensemble de propriétés inhabituelles. Ainsi… Il présente une faible limite d’élasticité (de l’ordre de Re ≈ 400 MPa) et une faible dureté (environ 210 HB), tout en ayant une résistance à la traction très élevée (environ Rm ≈ 1050 MPa). À cela s’ajoute des propriétés plastiques et une résistance aux chocs toutes deux exceptionnelles (notamment A ≈ 50 % et une résistance aux chocs Charpy élevée).
La source de sa résistance à l’usure n’est pas sa « dureté initiale », mais son comportement sous charge. Comme l’acier a une faible limite d’élasticité, il se déforme facilement et très fortement sous contrainte, beaucoup plus intensément que de nombreux aciers classiques de construction. De plus, sous pression, l’austénite de la couche superficielle peut se transformer en martensite, ce qui augmente localement la dureté et empêche toute usure supplémentaire. Ce mécanisme rend l’acier Hadfield résistant à l’abrasion ainsi qu’aux chocs, tandis que les aciers trempés classiques, bien que résistants à l’abrasion, sont fréquemment moins performants dans les applications soumises à des chocs, en raison de leur fragilité.
Une structure austénitique homogène est une condition préalable à l’obtention des propriétés souhaitées. Lors d’un refroidissement lent, des précipités de carbure apparaissent à côté de l’austénite, ce qui en détériore les propriétés. Par conséquent, l’acier 11G12 est sursaturé à environ 950-1000 °C avec un refroidissement à l’eau, afin d’obtenir l’austénite la plus homogène possible. D’un point de vue pratique, la limite d’applicabilité est également importante : l’acier Hadfield résiste à l’abrasion, principalement lorsque l’usure s’accompagne d’une pression superficielle importante. Dans des conditions de « broyage » sans pression, il ne présente pas d’avantage. C’est pourquoi il est utilisé pour les aiguillages ferroviaires, les mâchoires de concasseurs et les chenilles de véhicules, c’est-à-dire là où des charges élevées et des chocs fréquents se produisent simultanément. Le prix à payer pour ces avantages est une usinabilité très difficile, qui n’est pratiquement possible qu’avec des outils en carbure.
Aciers inoxydables, résistants à l’acide et à la rouille
La corrosion est le processus de destruction du métal causé par l’environnement extérieur, qui commence à partir de la surface et progresse vers l’intérieur, cette progression étant parfois inégale. En termes de mécanisme, nous distinguons la corrosion chimique, typique de l’action des gaz secs à haute température et la corrosion électrochimique, qui se produit dans les liquides, le plus souvent dans des solutions aqueuses, avec la participation d’électrolytes et de courants dans des cellules locales. L’observation clé est que le processus peut être inhibé si une couche de produits de corrosion se forme à la surface, qui répond aux conditions d’une « barrière protectrice ». Cette dernière doit recouvrir étroitement le métal, ne pas se dissoudre dans l’environnement, bien adhérer et avoir un coefficient de dilatation similaire à celui du métal, afin de ne pas se fissurer lors des changements de température. Cela conduit intuitivement à l’idée des aciers inoxydables, dont la résistance résulte du maintien d’une couche passive stable et étanche, ce que nous allons voir ici…
Dans les aciers inoxydables, le composant le plus important est le chrome, car seule une teneur en Cr suffisamment élevée permet une passivation permanente. Le matériau distingue, entre autres, les aciers au chrome avec différentes teneurs en carbone et montre comment la composition affecte la structure dans le système Fe–Cr–C.
À des teneurs en carbone très faibles (inférieures à environ 0,1 %), le champ de ferrite peut s’étendre sur toute la plage de température et l’acier présente une structure ferritique.
À des teneurs en carbone moyennes (environ 0,20 à 0,30 %), une austénite partielle apparaît après chauffage et après refroidissement, nous obtenons un mélange de ferrite et de martensite, ce qui donne des aciers semi-ferritiques.
À des teneurs en carbone plus élevées, l’acier se transforme complètement en austénite après chauffage et devient martensitique après refroidissement.
Dans ce contexte, voici quelques exemples d’aciers au chrome typiques : 0H13 comme ferritique, 1H13 comme semi-ferritique et 2H13-4H13 comme martensitique, avec un traitement thermique consistant en une trempe à 950-1000 °C et un revenu à 600-700 °C, ce qui permet de bénéficier d’une large gamme de résistances, en fonction de la teneur en carbone. Ces aciers résistent à la corrosion dans la vapeur d’eau et dans certains acides (par exemple, le nitrique ou l’acétique), mais ne résistent pas aux acides chlorhydriques et sulfuriques, ce qui montre clairement que la « résistance à la corrosion » n’est pas absolue, mais dépend de l’environnement.
Dans la pratique, il existe également des aciers inoxydables au chrome, disposant d’une teneur en Cr plus élevée, par exemple des nuances dans la gamme de 16 à 18 % de Cr et environ 0,1 % de C (par exemple H17), souvent avec une structure ferritique ou ferritique-martensitique, utilisés dans l’industrie alimentaire ou pour des produits de consommation courante, ainsi que des aciers avec 25-28 % de Cr (par exemple H25T) avec une structure ferritique, moins ductiles, mais autant utiles, en tant que matériaux résistants à la chaleur à des températures plus élevées. Une limitation importante des aciers ferritiques est qu’ils ne subissent pas de transformation allotropique, ils ne peuvent donc pas être « améliorés » par un traitement thermique classique. Le raffinage du grain est principalement obtenu par travail plastique.
La meilleure résistance à la corrosion, dans de nombreuses applications, est atteinte grâce aux aciers austénitiques au chrome-nickel. Les nuances modernes contiennent généralement 18 à 25 % de Cr et 8 à 20 % de Ni, la plus courante étant l’acier 18/8 (et ses variantes), qui résiste à de nombreux milieux corrosifs. Les ajouts d’alliages permettent d’« affiner » la résistance : le molybdène (environ 1,5-2,5 %) augmente la résistance dans les environnements d’acides sulfuriques, le cuivre (environ 3 %) réduit la sensibilité à la corrosion sous contrainte et le silicium (environ 2 à 3 %) peut améliorer la résistance à l’acide chlorhydrique. Afin de garantir une structure austénitique homogène, ces aciers sont soumis à une saturation à 1050–1100 °C avec refroidissement à l’eau, qui est l’un des éléments clés de la technologie de l’acier inoxydable.
Parallèlement, les aciers austénitiques au chrome-nickel présentent un « piège opérationnel » caractéristique. Il s’agit d’une tendance à la corrosion intergranulaire après exposition à des températures comprises entre environ 450 et 700 °C, lorsque des carbures de chrome peuvent se former aux joints de grains, appauvrissant ces derniers en chrome et supprimant localement la passivation. Le matériau indique les moyens classiques de limiter ce phénomène : très faible teneur en carbone (de l’ordre de 0,02 à 0,03 %), stabilisation avec des éléments fortement carburogènes (titane, niobium), recuit de stabilisation à environ 850 °C et sursaturation. C’est un bon exemple de la façon dont, dans les aciers spéciaux, le résultat est déterminé par la composition, ainsi que par « l’histoire thermique » du matériau.
À la frontière entre les aciers inoxydables classiques se trouvent les aciers qui sont difficiles à rouiller, utilisés principalement pour la corrosion atmosphérique. Le principe est que, avec le temps, la surface se recouvre d’une couche de rouille compacte et peu perméable, qui adhère bien au substrat et ralentit la corrosion, cette rouille protectrice est appelée patine. Le cuivre (environ 0,20 à 0,50 %) joue un rôle important dans ce groupe et pour renforcer l’effet protecteur, nous utilisons également du chrome (jusqu’à environ 1,3 %) et du nickel, tandis que le phosphore, en présence de ces composants, augmente encore la résistance, c’est pourquoi sa teneur est parfois augmentée. L’acier bien connu « Cor-ten A » et son équivalent (10HNAP) sont cités en exemple, ce qui montre clairement que l’objectif n’est parfois pas l’inoxydabilité totale, mais plutôt d’arriver à une protection stable dans des conditions atmosphériques.
Résistance à la chaleur, durabilité thermique, fluage et sélection des groupes de matériaux
Le travail à haute température impose deux exigences bien différentes. La résistance à la chaleur signifie la résistance à l’effet oxydant des gaz à des températures supérieures à 550 °C, c’est-à-dire dans la plage rougeoyante, où l’acier au carbone forme rapidement de la calamine et où le taux d’oxydation augmente rapidement avec la température. La résistance à la chaleur est augmentée par des additifs tels que le chrome, le silicium et l’aluminium, qui, ayant une plus grande affinité pour l’oxygène que le fer, forment une couche compacte d’oxydes qui est étroitement adhérente, et qui empêche toute oxydation supplémentaire. Ce matériau offre un rapport très pratique : avec une teneur en supérieure à 10 % de Cr, l’acier peut être résistant à la chaleur à environ 900 °C, tandis que pour garantir une résistance à la chaleur à 1100 °C, il faut généralement 20 à 25 % de Cr. Il est également primordial que l’acier résistant à la chaleur ne subisse pas de transformations allotropiques dans la plage de températures de fonctionnement, car les changements de volume alors associés peuvent compromettre l’intégrité de la couche protectrice.
La seconde exigence est la résistance à la chaleur, c’est-à-dire la capacité à supporter des charges prolongées à des températures élevées sans déformation excessive. C’est là qu’intervient le phénomène de fluage. Sous une contrainte constante, le matériau s’allonge avec le temps et une courbe de fluage typique comprend une section au long de laquelle le taux de déformation est approximativement constant, c’est cette section qui est particulièrement importante lorsque nous comparons des matériaux. Le fluage peut être compris comme une « lutte » entre deux processus…
Le renforcement par l’augmentation de la densité de dislocation et la récupération à haute température, qui supprime ce renforcement.
Dans les matériaux résistants à la chaleur, l’objectif est donc de s’assurer que la structure résiste à la récupération et à la recristallisation aussi efficacement que possible aux températures de fonctionnement.
Dans les aciers résistants à la chaleur, les ajouts de molybdène, de tungstène et de vanadium sont importants, mais ils ne confèrent pas à eux seuls une résistance à l’oxydation. C’est pourquoi, dans la pratique, les aciers résistants à la chaleur les combinent avec des additifs qui augmentent la résistance à la chaleur, principalement le chrome, mais aussi le silicium et l’aluminium.
Si une structure austénitique est requise, le nickel et le manganèse sont également utilisés. Le matériau indique, en complément, l’approche standard des caractéristiques de résistance à la chaleur (dans le contexte du fluage) à travers des valeurs temporelles. La contrainte provoquant une déformation permanente spécifique, après un temps donné à une température donnée, et la contrainte provoquant une rupture après un temps donné à une température donnée, ce qui souligne que la « résistance à haute température » est toujours liée au temps d’exposition.
Le choix du matériau à haute température dépend fortement de la plage de fonctionnement. Le matériau présente une division pratique. Dans la plage d’environ 350-500 °C, sont utilisés des aciers alliés ferritiques ou ferritiques-perlitiques ; dans la plage de 500-650 °C, les aciers austénitiques sont plus courants ; tandis que dans la plage de 650 à 900 °C, on utilise des alliages à base de nickel et de cobalt ; et au-dessus de 900 °C, on utilise des alliages de métaux réfractaires, notamment le molybdène et le chrome. Cette division explique bien pourquoi les aciers Cr-Mo, avec des additifs modérés, sont typiques pour les chaudières et les installations électriques, tandis que les turbines et les moteurs à réaction nécessitent des alliages avec une « classe » de stabilité structurelle complètement différente.
Dans le groupe des aciers ferritiques et ferritiques-perlitiques, résistants à la chaleur, destinés à un fonctionnement à long terme généralement jusqu’à environ 500–550 °C, le matériau donne des exemples d’aciers pour tubes de chaudière contenant environ 0,1-0,2 % de C, environ 1-2 % de Cr et 0,5-1 % de Mo. Ils sont soudables, mais nécessitent un préchauffage avant le soudage. Après le soudage, le joint est normalisé et trempé. Le matériau spécifie une trempe à environ 700 °C, afin d’atteindre la structure la plus stable possible. Cela montre que dans les aciers à haute température, la technologie de fabrication des joints fait partie intégrante du « package matériau » et n’est pas un ajout à trouver à la fin.
Les aciers résistants à la chaleur comprennent les aciers au chrome-aluminium, au chrome-silicium et au chrome-nickel. Dans des applications telles que les soupapes de moteur, on utilise par exemple des aciers à teneur accrue en chrome et en silicium, appelés « silchroms », contenant environ 0,4 à 0,5 % de carbone, 8 à 10 % de Cr et 2 à 3 % de Si. Leur traitement thermique comprend une trempe à environ 1050 °C et un revenu à 680-700 °C, qui combine la résistance à la chaleur du composant chrome/silicium, aux exigences de résistance de l’élément.
Pour les conditions les plus demandeuses, en particulier dans les turbines et les moteurs à réaction, le matériau est décrit par des groupes spéciaux d’alliages résistants à la chaleur : alliages austénitiques à base de fer avec du chrome et du nickel, alliages complexes Cr-Ni-Co-Fe, alliages à base de cobalt et alliages à base de nickel (Nimonic). Les plages de température de fonctionnement typiques et les traitements thermiques caractéristiques sont indiqués, par exemple, la sursaturation et le vieillissement. Pour les alliages Cr-Ni-Co-Fe, la sursaturation dans une plage de température très élevée et le vieillissement à plusieurs centaines de degrés. Pour les alliages Nimonic, la sursaturation dans la plage d’environ 1050 à 1200 °C et le vieillissement à environ 700 °C. Il s’agit d’une philosophie différente de celle des aciers de construction : ici, les propriétés résultent en grande partie de la résistance au fluage et du durcissement par précipitation, contrôlée à haute température, et pas uniquement du « durcissement et du revenu ».
Propriétés physiques particulières
Dans les éléments résistifs électriques et chauffants, les matériaux doivent présenter une résistance spécifique élevée, une faible augmentation de la résistance à haute température, ainsi qu’une résistance thermique élevée, une faible dilatation thermique et un point de fusion élevé. Le matériau souligne qu’une structure en solution solide est avantageuse dans ce cas, car ce type de structure favorise une plus grande résistance électrique que les mélanges de phases. Dans la pratique, deux grandes familles de matériaux sont utilisées : les alliages nickel-chrome (Nichrome) ou les aciers austénitiques au chrome-nickel dont la composition est similaire à celle des aciers résistants à la chaleur, ainsi que les aciers ferritiques au chrome-aluminium connus sous des noms commerciaux (par exemple Kanthal®, Alchrom®).
Un groupe distinct comprend les alliages conçus pour un coefficient de dilatation thermique spécifique. Le matériau présente une dépendance particulièrement forte de la dilatation à la composition des alliages Fe-Ni. Un exemple classique est l’invar, qui contient environ 36 % de Ni et présente une dilatation très faible dans la plage d’environ -80 à +150 °C, le coefficient augmentant considérablement en dehors de cette plage. Une dilatation encore plus faible, dans une certaine plage de températures, est obtenue avec le superinvar, qui contient environ 30 à 32 % de Ni, 4 à 6 % de Co et très peu de carbone. Ces alliages sont utilisés dans les instruments et les mécanismes qui ne doivent pas changer de dimensions en fonction des fluctuations de température, ainsi que dans les dispositifs de condensation de gaz.
La seconde famille d’alliages Fe-Ni est sélectionnée de manière que leur dilatation corresponde à celle du verre. Un exemple est la platinite avec une teneur d’environ 46 % de Ni et une faible teneur en carbone, utilisée pour la fusion dans le verre des ampoules électriques et des tubes électroniques. Dans le même domaine d’application, nous trouvons également les bimétaux, c’est-à-dire des bandes à deux couches obtenues par soudage de matériaux ayant des coefficients de dilatation différents. Lorsqu’un tel élément est chauffé, la différence de dilatation le fait se courber, ce qui est utilisé dans les dispositifs de mesure et de contrôle de la température, les interrupteurs, les relais et les dispositifs de protection thermique.
Propriétés magnétiques des matériaux mous, durs et non magnétiques
En génie électrique, les matériaux sont classés en trois catégories qui sont les magnétiquement doux, les magnétiquement durs et les non magnétiques, alors que les exigences pour chaque groupe sont différentes. Les matériaux magnétiquement doux sont faciles à magnétiser et à démagnétiser. Leur structure doit donc être à gros grains et aussi proche que possible de l’équilibre. Par ailleurs, leur teneur en carbone et en impuretés nocives (soufre, phosphore, oxygène, azote) doit être aussi faible que possible, car celles-ci augmentent la coercivité et les pertes. L’exemple le plus simple est le fer techniquement pur utilisé pour les électroaimants et les noyaux de relais, mais des aciers à faible teneur en carbone sont couramment utilisés. Dans la pratique, les aciers au silicium, dans lesquels le silicium est présent sous forme de solution solide, sont aussi très importants, puisque ce sont les matériaux de base des tôles d’acier électrique.
Nous soulignons également que les alliages Fe-Ni peuvent présenter des propriétés magnétiques particulièrement intéressantes et le permalloy (un alliage Fe-Ni à forte teneur en nickel) est souvent cité comme exemple d’alliage classique à très haute perméabilité magnétique, ce qui correspond bien à l’utilisation des alliages de nickel dans les équipements de précision.
Dans le domaine des aimants permanents, c’est-à-dire des matériaux magnétiquement durs, l’objectif est que le matériau, après magnétisation, conserve celle-ci, ce qui nécessite des caractéristiques structurelles différentes et souvent des additifs d’alliage également différents. Nous tenons aussi à mentionner que les meilleures propriétés magnétiques (dans le contexte des aimants) sont offertes par les aciers contenant du cobalt, bien que leur utilisation soit limitée par la disponibilité du cobalt.
Les alliages Fe-Ni-Al-Co, connus sous le nom d’« alniko », constituent une famille très importante d’aimants en alliage. Ils contiennent généralement 14 à 28 % de Ni, 6 à 12 % d’Al et 5 à 35 % de Co. Leurs propriétés sont obtenues grâce à leur composition, ainsi que grâce à un traitement thermique impliquant une homogénéisation à haute température, suivie d’une sursaturation (dans l’eau ou dans l’huile), puis d’un vieillissement dans une plage de température moyenne. Cela permet d’utiliser l’alnico pour fabriquer des aimants puissants de petites dimensions et de faible poids, ce qui est fondamental pour de nombreux appareils.
Dependant, dans certaines applications, des matériaux non magnétiques sont nécessaires, et ils doivent se comporter de manière neutre dans un champ magnétique. Le matériau évoqué ici est l’acier au chrome-nickel-manganèse (par exemple, H12N11G6) et l’acier au chrome-manganèse (par exemple, G18H3), qui sont traités thermiquement par sursaturation et dont les propriétés mécaniques peuvent être encore améliorées par déformation à froid. Cela montre que dans le groupe « magnétique », l’acier spécial peut être conçu à la fois pour maximiser ou bien minimiser les phénomènes magnétiques.
Aciers et alliages aux propriétés spéciales – Résumé
mécanisme de travail dominant, plutôt que pour une résistance « moyenne ». Dans les aciers résistants à l’usure, tels que l’acier Hadfield, l’auto-durcissement sous charge et la possibilité de transformation de la surface sont primordiaux, ce qui leur confère une résistance à l’usure, tout en conservant la résistance aux chocs, mais introduit en même temps des limitations opérationnelles et technologiques (pression, usinabilité). Dans les aciers inoxydables et résistants aux acides, la base est la passivation, principalement à base de chrome, tandis que la durabilité réelle dépend de la structure, des additifs d’alliage et de l’historique thermique, comme en témoigne le problème de corrosion intergranulaire dans les aciers austénitiques, après chauffage à certaines températures. Dans les applications à haute température, les exigences en matière de résistance à la chaleur et de résistance thermique doivent être séparées, en comprenant le rôle de la couche protectrice et du fluage. Ce qui fait que le choix des matériaux va des aciers Cr-Mo aux superalliages, à base de nickel et de cobalt, à mesure que la température de fonctionnement augmente.
