Aciers inoxydables vs superalliages – Comparaison – Avantages et inconvénients

Aciers inoxydables

En métallurgie, l’acier inoxydable est un alliage d’acier avec au moins 10,5 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage et un maximum de 1,2 % de carbone en masse. Les aciers inoxydables, également appelés aciers inox ou inox du français inoxydable (inoxydable), sont des alliages d’acier, qui sont très connus pour leur  résistance à la corrosion, qui augmente avec l’augmentation de la teneur en chrome. La résistance à la corrosion peut également être améliorée par des ajouts de nickel et de molybdène. La résistance de ces alliages métalliques 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 duquel la passivité peut se produire et en-dessous duquel 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.

Utilisations des aciers inoxydables – Applications

La solidité et la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable en font souvent le matériau de choix dans les équipements de transport et de traitement, les pièces de moteur et les armes à feu. La plupart des applications structurelles se produisent dans les industries chimiques et énergétiques, qui représentent plus du tiers du marché des produits en acier inoxydable. La grande variété d’applications comprend les cuves de réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur. Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité, mais toutes les surfaces qui entrent en contact avec le fluide de refroidissement du réacteur (très corrosif en raison de la présence d’acide borique) sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique afin de minimiser la corrosion.

L’acier inoxydable peut être roulé en feuilles, plaques, barres, fils et tubes. Les aciers inoxydables n’ont pas besoin d’être peints ou revêtus, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans des applications où la propreté est requise: dans les ustensiles de cuisine, les couverts et les instruments chirurgicaux.

Types d’aciers inoxydables

L’acier inoxydable est un terme générique désignant une grande famille d’alliages résistant à la corrosion contenant au moins 10,5 % de chrome et pouvant contenir d’autres éléments d’alliage. Il existe de nombreuses nuances d’acier inoxydable avec des teneurs variables en chrome et en molybdène et avec une structure cristallographique variable pour s’adapter à l’environnement que l’alliage doit endurer. Les aciers inoxydables peuvent être divisés en cinq catégories:

• Aciers inoxydables ferritiques. Dans les aciers inoxydables ferritiques, le carbone est maintenu à des niveaux faibles (C<0,08 %) et la teneur en chrome peut varier de 10,50 à 30,00 %. Leur utilisation est généralement limitée à des sections relativement minces en raison du manque de ténacité des soudures. De plus, ils ont une résistance à haute température relativement faible. Les aciers ferritiques sont choisis pour leur résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, ce qui en fait une alternative intéressante aux aciers inoxydables austénitiques dans les applications où la SCC induite par les chlorures est répandue.
• Aciers inoxydables austénitiques. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent entre 16 et 25 % de Cr et peuvent également contenir de l’azote en solution, ce qui contribue à leur résistance relativement élevée à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques ont la meilleure résistance à la corrosion de tous les aciers inoxydables et ils ont d’excellentes propriétés cryogéniques et une bonne résistance à haute température. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.
• Aciers inoxydables martensitiques. Les aciers inoxydables martensitiques sont similaires aux aciers ferritiques en ce qu’ils sont à base de chrome mais ont des niveaux de carbone plus élevés pouvant atteindre 1 %. Ils sont parfois classés en aciers inoxydables martensitiques à faible teneur en carbone et à haute teneur en carbone. Ils ont une résistance modérée à la corrosion, mais sont considérés comme durs, solides et légèrement cassants. Ils sont magnétiques et peuvent être testés de manière non destructive en utilisant la méthode d’inspection par particules magnétiques, contrairement à l’acier inoxydable austénitique. Un acier inoxydable martensitique courant est l’AISI 440C, qui contient 16 à 18 % de chrome et 0,95 à 1,2 % de carbone. L’acier inoxydable de grade 440C est utilisé dans les applications suivantes : blocs étalons, coutellerie, roulements à billes et chemins de roulement, moules et matrices, couteaux.
• Aciers inoxydables 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 aciers austénitiques les notes. Les aciers Superduplex ont une résistance et une résistance accrues à toutes les formes de corrosion par rapport aux aciers austénitiques standards. 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.
• Aciers inoxydables PH. Les aciers inoxydables PH (durcissement par précipitation) contiennent environ 17 % de chrome et 4 % de nickel. Ces aciers peuvent développer une résistance très élevée grâce à des ajouts d’aluminium, de titane, de niobium, de vanadium et/ou d’azote, qui forment des précipités intermétalliques cohérents au cours d’un processus de traitement thermique appelé vieillissement thermique. De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, ils offrent généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.

Superalliages

Les superalliages, ou alliages hautes performances, sont des alliages non ferreux qui présentent une résistance et une stabilité de surface exceptionnelles à haute température. Leur capacité à fonctionner en toute sécurité à une fraction élevée de leur point de fusion (jusqu’à 85 % de leurs points de fusion (T_m) exprimés en degrés Kelvin, 0,85) est leur principale caractéristique. Les superalliages sont généralement utilisés à des températures supérieures à 540 °C (1000 °F), car à ces températures, les alliages d’acier et de titane ordinaires perdent leurs forces, la corrosion est également courante dans les aciers à cette température. A haute température, les superalliages conservent leur résistance mécanique, leur résistance au fluage thermique déformation, stabilité de surface et résistance à la corrosion ou à l’oxydation. Certains superalliages à base de nickel peuvent résister à des températures supérieures à 1200 °C, selon la composition de l’alliage. Les superalliages sont souvent coulés sous forme de monocristal, tandis que les joints de grains peuvent fournir de la résistance, ils diminuent la résistance au fluage.

Ils ont été initialement développés pour être utilisés dans les turbocompresseurs de moteurs à pistons d’avions. Aujourd’hui, l’application la plus courante concerne les composants de turbines d’avions, qui doivent résister à une exposition à des environnements fortement oxydants et à des températures élevées pendant des périodes de temps raisonnables. Les applications actuelles incluent:

• Turbines à gaz pour avions
• Centrales électriques à turbine à vapeur
• Applications médicales
• Véhicules spatiaux et moteurs de fusée
• Équipement de traitement thermique
• Centrales nucléaires

Le nickel est l’élément de base des superalliages, qui sont un groupe d’alliages de nickel, de fer-nickel et de cobalt utilisés dans les moteurs à réaction. Ces métaux ont une excellente résistance à la déformation par fluage thermique et conservent leur rigidité, leur résistance, leur ténacité et leur stabilité dimensionnelle à des températures beaucoup plus élevées que les autres matériaux de structure aérospatiaux.

Propriétés des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

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.

Densité des aciers inoxydables vs superalliages

La densité d’ un superalliage typique est de 8,22 g/cm³.

La densité de l’acier inoxydable typique est de 8,0 g/cm³ (acier 304).

La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est mathématiquement définie 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).

Puisque la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance, il est évident que la densité d’une substance dépend fortement de sa masse atomique et aussi de la densité de numéro atomique (N; atomes/cm³),

• Poids atomique. La masse atomique est portée par le noyau atomique, qui n’occupe qu’environ 10^-12  du volume total de l’atome ou moins, mais il contient toute la charge positive et au moins 99,95 % de la masse totale de l’atome. Il est donc déterminé par le nombre de masse (nombre de protons et de neutrons).
• Densité de nombre atomique. La densité de numéro atomique  (N; atomes/cm³), qui est associée aux rayons atomiques, est le nombre d’atomes d’un type donné par unité de volume (V; cm³) du matériau. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³) d’un matériau pur ayant un poids atomique ou moléculaire (M; grammes/mol) et la densité du matériau (⍴; gramme/cm³) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (N_A  = 6,022×10²³ atomes ou molécules par mole):
• Structure en cristal. La densité de la substance cristalline est significativement affectée par sa structure cristalline. La structure FCC, avec son parent hexagonal (hcp), a le facteur de tassement le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium.

Propriétés mécaniques des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

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 des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

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 de  l’acier inoxydable – type 304L est de 485 MPa.

Résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable ferritique  – La nuance 430 est de 480 MPa.

La résistance à la traction ultime de  l’acier inoxydable martensitique  – le grade 440C est de 760 MPa.

Résistance à la traction ultime du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 1200 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximale qui 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 de l’acier inoxydable – type 304L est de 170 MPa.

Limite d’élasticité de  l’acier inoxydable ferritique  – Le grade 430 est de 310 MPa.

Limite d’élasticité de  l’acier inoxydable martensitique – Le grade 440C est de 450 MPa.

Limite d’élasticité du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 1030 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 de l’  acier inoxydable ferritique – Grade 430 est de 220 GPa.

Le module de Young de l’ acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 200 GPa.

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

Le module de Young du superalliage – Inconel 718 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 des aciers inoxydables vs superalliages

La dureté Brinell de  l’acier inoxydable ferritique  – Grade 430 est d’environ 180 MPa.

La dureté Brinell de  l’acier inoxydable martensitique – Grade 440C est d’environ 270 MPa.

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

La dureté Brinell du superalliage – Inconel 718 dépend du processus de traitement thermique, mais elle est d’environ 330 MPa.

Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le  nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.

Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale ( cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.

Propriétés thermiques des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de  thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>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 qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion des aciers inoxydables vs superalliages

Le point de fusion de l’acier inoxydable – l’acier de type 304 est d’environ 1450 °C.

Point de fusion de  l’acier inoxydable ferritique – L’acier de nuance 430 est d’environ 1450 °C.

Point de fusion de  l’acier inoxydable martensitique – L’  acier de nuance 440C est d’environ 1450 °C.

Le point de fusion du superalliage – l’acier Inconel 718 est d’environ 1400°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 des aciers inoxydables par rapport aux superalliages

La conductivité thermique de l’acier inoxydable – type 304 est de 20 W/(mK).

La conductivité thermique de l’ acier inoxydable ferritique – Grade 430 est de 26 W/(mK).

La conductivité thermique de l’ acier inoxydable martensitique – Grade 440C est de 24 W/(mK).

La conductivité thermique du superalliage – Inconel 718 est de 6,5 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.

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Voir ci-dessus:
Alliages