Acier inoxydable duplex – Densité – Résistance – Dureté – Point de fusion

À propos de l’acier inoxydable duplex

Les aciers inoxydables duplex, comme leur nom l’indique, sont une combinaison de deux des principaux types d’alliages. Ils ont une microstructure mixte d’ austénite et de ferrite, le but étant généralement de produire un mélange 50/50, bien que dans les alliages commerciaux, le rapport puisse être de 40/60. Leur résistance à la corrosion est similaire à celle de leurs homologues austénitiques, mais leur résistance à la corrosion sous contrainte (en particulier à la fissuration par corrosion sous contrainte du chlorure), leur résistance à la traction et leurs limites d’ élasticité (environ deux fois la limite d’élasticité des aciers inoxydables austénitiques) sont généralement supérieures à celles des nuances austénitiques. Dans les aciers inoxydables duplex, le carbone est maintenu à des niveaux très bas (C<0,03%). La teneur en chrome varie de 21,00 à 26,00 %, la teneur en nickel varie de 3,50 à 8,00 % et ces alliages peuvent contenir du molybdène (jusqu’à 4,50 %). La ténacité et la ductilité se situent généralement entre celles des nuances austénitiques et ferritiques. Les nuances duplex sont généralement divisées en trois sous-groupes en fonction de leur résistance à la corrosion : lean duplex, standard duplex et superduplex. Les aciers superduplex ont une résistance et une résistance accrues à toutes les formes de corrosion par rapport aux aciers austénitiques standard. Les utilisations courantes sont dans les applications marines, les usines pétrochimiques, les usines de dessalement, les échangeurs de chaleur et l’industrie papetière. Aujourd’hui, l’industrie pétrolière et gazière est le plus grand utilisateur et a fait pression pour des nuances plus résistantes à la corrosion, ce qui a conduit au développement d’aciers superduplex.

La résistance des aciers inoxydables aux effets chimiques des agents corrosifs repose sur la passivation. Pour que la passivation se produise et reste stable, l’alliage Fe-Cr doit avoir une teneur minimale en chrome d’environ 10,5 % en poids, au-dessus de laquelle la passivation peut se produire et en dessous de laquelle elle est impossible. Le chrome peut être utilisé comme élément de durcissement et est fréquemment utilisé avec un élément de durcissement tel que le nickel pour produire des propriétés mécaniques supérieures.

Aciers inoxydables duplex – SAF 2205 – 1.4462

Un acier inoxydable duplex courant est le SAF 2205 (une marque appartenant à Sandvik pour un acier inoxydable duplex 22Cr (ferritique-austénitique), qui contient généralement 22 % de chrome et 5 % de nickel. Il a une excellente résistance à la corrosion et une grande résistance, 2205 est l’acier inoxydable duplex le plus largement utilisé. Les applications de SAF 2205 sont dans les industries suivantes:

• Transport, stockage et traitement chimique
• Équipement de traitement
• Environnements marins et à haute teneur en chlorure
• Exploration pétrolière et gazière
• Machines à papier

Résumé

Densité de l’acier inoxydable duplex

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité de l’acier inoxydable duplex est de 7800 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en acier inoxydable duplex, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la  masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,504 m.

Propriétés de l’acier inoxydable duplex

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un scientifique des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Propriétés mécaniques de l’acier inoxydable duplex

Les matériaux sont fréquemment choisis pour diverses applications car ils présentent des combinaisons souhaitables de caractéristiques mécaniques. Pour les applications structurelles, les propriétés des matériaux sont cruciales et les ingénieurs doivent en tenir compte.

Résistance de l’acier inoxydable duplex

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est de 620 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximalequi peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon, température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Limite d’élasticité

La limite d’élasticité des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est de 440 MPa.

La limite d’ élasticité est le point sur une courbe contrainte-déformation qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Module de Young

Le module de Young des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est de 200 GPa.

Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction. Jusqu’à une contrainte limite, une caisse pourra retrouver ses dimensions au retrait de la charge. Les contraintes appliquées font que les atomes d’un cristal se déplacent de leur position d’équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité et conservent toujours leur géométrie relative. Lorsque les contraintes sont supprimées, tous les atomes reviennent à leur position d’origine et aucune déformation permanente ne se produit. Selon la loi de Hooke, la contrainte est proportionnelle à la déformation (dans la région élastique), et la pente est le module de Young. Le module de Young est égal à la contrainte longitudinale divisée par la déformation.

Dureté de l’acier inoxydable duplex

La dureté Brinell des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est d’environ 217 MPa.

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester. Le test typique utilise une bille en acier trempé de 10 mm (0,39 in) de diamètre  comme pénétrateur avec une force de 3 000 kgf (29,42 kN; 6 614 lbf). La charge est maintenue constante pendant un temps déterminé (entre 10 et 30 s). Pour les matériaux plus tendres, une force plus faible est utilisée; pour les matériaux plus durs, une bille en carbure de tungstène remplace la bille en acier.

Le test fournit des résultats numériques pour quantifier la dureté d’un matériau, qui est exprimée par le nombre de dureté Brinell – HB. Le nombre de dureté Brinell est désigné par les normes d’essai les plus couramment utilisées (ASTM E10-14[2] et ISO 6506–1:2005) comme HBW (H de la dureté, B de Brinell et W du matériau du pénétrateur, le tungstène ( wolfram) carbure). Dans les anciennes normes, HB ou HBS étaient utilisés pour désigner les mesures effectuées avec des pénétrateurs en acier.

L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

Il existe une variété de méthodes d’essai couramment utilisées (par exemple, Brinell, Knoop, Vickers et Rockwell). Il existe des tableaux qui sont disponibles corrélant les nombres de dureté des différentes méthodes d’essai où la corrélation est applicable. Dans toutes les échelles, un nombre élevé de dureté représente un métal dur.

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite d’acier inoxydable duplex. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 620 MPa.

Solution:

La contrainte (σ)  peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 620 x 10⁶ x 0,0001 = 62 000 N

Propriétés thermiques de l’acier inoxydable duplex

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion de l’acier inoxydable duplex

Le point de fusion des aciers inoxydables duplex – l’acier SAF 2205 est d’environ 1450°C.

En général, la fusion  est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.

Conductivité thermique de l’acier inoxydable duplex

La conductivité thermique des aciers inoxydables duplex – SAF 2205 est de 19 W/(mK).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la  conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction. Notez que  la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T) . Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). La paroi a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est réalisée en acier inoxydable duplex avec une conductivité thermique  de k₁ = 19 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé facteur U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le  coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/19 + 1/30) = 7,08 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,08 [W/m²K] x 30 [K] = 212,42 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 212,42 [W/m²] x 30 [m²] = 6372,67 W