Que sont les alliages résistants à la corrosion – Définition

Les alliages anticorrosion, comme leur nom l’indique, sont des alliages à résistance à la corrosion renforcée. Certains métaux et alliages ferreux et de nombreux non ferreux sont largement utilisés dans les environnements corrosifs. Dans tous les cas, cela dépend fortement de certains environnements et d’autres conditions. Les alliages résistants à la corrosion sont utilisés pour les canalisations d’eau et de nombreuses applications chimiques et industrielles. Dans le cas des alliages ferreux, on parle d’aciers inoxydables et dans une certaine mesure de fontes. Mais certains alliages non ferreux résistant à la corrosion présentent une résistance à la corrosion remarquable et peuvent donc être utilisés à de nombreuses fins spéciales. Il existe deux raisons principales pour lesquelles les matériaux non ferreux sont préférés aux aciers et aux aciers inoxydables pour bon nombre de ces applications. Par exemple, bon nombre des les métaux et alliages non ferreux possèdent une résistance à la corrosion beaucoup plus élevée que les aciers alliés et les nuances d’acier inoxydable disponibles. Deuxièmement, un rapport résistance/poids élevé ou une conductivité thermique et électrique élevée peut fournir un avantage distinct par rapport à un alliage ferreux.

Types d’alliages résistants à la corrosion

Quatre métaux non ferreux couramment utilisés pour leurs propriétés de résistance à la corrosion bien documentées sont:

• 

  Cuivre. Le cuivre ne réagit pas avec l’eau, mais il réagit lentement avec l’oxygène atmosphérique pour former une couche d’oxyde de cuivre brun-noir qui, contrairement à la rouille qui se forme sur le fer dans l’air humide, protège le métal sous-jacent d’une corrosion supplémentaire (passivation). Les alliages cuivre-nickel et le bronze d’aluminium présentent une résistance supérieure à la corrosion par l’eau salée. Par exemple, les cupronickels sont des alliages cuivre-nickel qui contiennent généralement de 60 à 90 % de cuivre et de nickel comme élément d’alliage principal. Les deux principaux alliages sont le 90/10 et le 70/30. D’autres éléments de renforcement, tels que le manganèse et le fer, peuvent également être contenus. Cupronickel sont une excellente résistance à la corrosion causée par l’eau de mer. Malgré sa forte teneur en cuivre, le cupronickel est de couleur argentée. L’ajout de nickel au cuivre améliore également la solidité et la résistance à la corrosion, mais une bonne ductilité est conservée. Les cupronickels peuvent être utilisés dans de nombreuses applications marines, comme pour les hélices et les arbres porte-hélices. Étant donné que les alliages de cupronickel ont une résistance inhérente au macroencrassement, une bonne résistance à la traction, une excellente ductilité lorsqu’ils sont recuits, une conductivité thermique élevée et des caractéristiques de dilatation, ils peuvent être utilisés pour les échangeurs de chaleur, tels que les condenseurs de turbine à vapeur, les refroidisseurs d’huile, les systèmes de refroidissement auxiliaires et les pré-hautes pressions. -les réchauffeurs des centrales nucléaires et à combustibles fossiles. Un autre matériau résistant à la corrosion très courant est un bronze d’aluminium, qui présente une excellente résistance à la corrosion, en particulier dans l’eau de mer et les environnements similaires, où les alliages surpassent souvent de nombreux aciers inoxydables. Leur excellente résistance à la corrosion résulte de l’aluminium dans les alliages, qui réagit avec l’oxygène atmosphérique pour former une couche superficielle mince et dure d’alumine (oxyde d’aluminium) qui agit comme une barrière à la corrosion de l’alliage riche en cuivre. On les trouve sous forme forgée et moulée. Les bronzes d’aluminium sont généralement de couleur dorée. Les bronzes d’aluminium sont utilisés dans les applications d’eau de mer qui comprennent:

  • Services généraux liés à l’eau de mer
  • Roulements
  • Raccords de tuyauterie
  • Pompes et composants de vannes
  • Échangeurs de chaleur
• Nickel. Le nickel est un métal brillant blanc argenté avec une légère teinte dorée. Le nickel est l’un des éléments d’alliage les plus courants. Environ 65 % de la production de nickel est utilisée dans les aciers inoxydables. Étant donné que le nickel ne forme aucun composé de carbure dans l’acier, il reste en solution dans la ferrite, renforçant et durcissant ainsi la phase de ferrite. Les aciers au nickel sont facilement traités thermiquement car le nickel réduit la vitesse de refroidissement critique. Alliages à base de nickel (par exemple les alliages Fe-Cr-Ni(Mo)) présentent une excellente ductilité et ténacité, même à des niveaux de résistance élevés et ces propriétés sont conservées jusqu’à de basses températures. Le nickel et ses alliages sont très résistants à la corrosion dans de nombreux environnements, notamment ceux qui sont basiques (alcalins). Le nickel réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle. Le nickel est l’élément de base des superalliages. 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. Par exemple, Inconel est une marque déposée de Special Metals pour une famille de superalliages austénitiques à base de nickel-chrome. L’Inconel 718 est un superalliage à base de nickel qui possède des propriétés de haute résistance et une résistance aux températures élevées. Il démontre également une protection remarquable contre la corrosion et l’oxydation. 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.
• Titane. Le titane pur est plus résistant que les aciers ordinaires à faible teneur en carbone, mais 45 % plus léger. Il est également deux fois plus résistant que les alliages d’aluminium faibles, mais seulement 60 % plus lourd. Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité, le plus élevé de tous les éléments métalliques. La résistance à la corrosion des alliages de titane à des températures normales est exceptionnellement élevée. La résistance à la corrosion du titane repose sur la formation d’une couche d’oxyde stable et protectrice. Bien que le titane « commercialement pur » ait des propriétés mécaniques acceptables et ait été utilisé pour les implants orthopédiques et dentaires, pour la plupart des applications, le titane est allié avec de petites quantités d’aluminium et de vanadium, généralement 6% et 4% respectivement, en poids. Ce mélange a une solubilité solide qui varie considérablement avec la température, ce qui lui permet de subir un renforcement par précipitation. Alliages de titane sont des métaux qui contiennent un mélange de titane et d’autres éléments chimiques. Ces alliages ont une résistance à la traction et une ténacité très élevées (même à des températures extrêmes). Ils sont légers, ont une résistance à la corrosion extraordinaire et la capacité de résister à des températures extrêmes. Par exemple, le grade 2 de titane commercialement pur est très similaire au grade 1, mais il a une résistance plus élevée que le grade 1 et d’excellentes propriétés de formage à froid. Il offre d’excellentes propriétés de soudage et une excellente résistance à l’oxydation et à la corrosion. Cette qualité de titane est la qualité la plus courante de l’industrie du titane commercialement pur. C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications:
  • Aérospatial,
  • Automobile,
  • Traitement chimique et fabrication de chlorate,
  • Dessalement,
  • La production d’énergie.
• Aluminium. En général, les alliages d’aluminium se caractérisent par une densité relativement faible (2,7 g/cm³ contre 7,9 g/cm³ pour l’acier), des conductivités électriques et thermiques élevées et une résistance à la corrosion dans certains environnements courants, y compris l’atmosphère ambiante. Sa résistance à la corrosion dépend fortement de certains alliages. Par exemple, le duralumin est dû à la présence de cuivre sensible à la corrosion, tandis que l’ alliage 6061 reste résistant à la corrosion même lorsque la surface est abrasée. À des températures plus élevées et dans des environnements agressifs, les alliages d’aluminium ont une faible résistance à la corrosion et ils souffrent également de fissuration par corrosion sous contrainte.

Aciers inoxydables – Alliages ferreux résistants à la corrosion

Bien que nous parlions principalement d’alliages résistants à la corrosion non ferreux, nous devons mentionner les aciers inoxydables. Les aciers inoxydables sont définis comme des aciers à faible teneur en carbone 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, 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.

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. Ils possèdent une microstructure cubique à faces centrées (fcc) non magnétique et peuvent être facilement soudés. Cette structure cristalline austénitique est obtenue par des additions suffisantes des éléments stabilisateurs d’austénite nickel, manganèse et azote. L’acier inoxydable austénitique est la plus grande famille d’aciers inoxydables, représentant environ les deux tiers de toute la production d’acier inoxydable.

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 de laquelle la passivation peut se produire et en dessous de laquelle elle est impossible. 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 des réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur.

Fissuration par corrosion

L’un des problèmes métallurgiques les plus graves et une préoccupation majeure dans l’industrie nucléaire est la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC). La fissuration par corrosion sous contrainte résulte de l’ action combinée d’une contrainte de traction appliquée et d’un environnement corrosif, les deux influences sont nécessaires. La SCC est un type de corrosion par attaque intergranulaire qui se produit aux joints de grains sous contrainte de traction. Les aciers faiblement alliés sont moins sensibles que les aciers fortement alliés, mais ils sont sujets au SCC dans l’eau contenant des ions chlorure. Les alliages à base de nickel, cependant, ne sont pas affectés par les ions chlorure ou hydroxyde. Un exemple d’alliage à base de nickel résistant à la fissuration par corrosion sous contrainte est l’Inconel.

Propriétés des alliages résistants à la corrosion

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 spécialiste 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 alliages résistants à la corrosion

La densité du bronze d’aluminium typique est de 7,45 g/cm3 (UNS C95400) ^.

La densité du superalliage typique est de 8,22 g/cm³ (Inconel 718).

La densité d’ un alliage de titane typique est de 4,51 g/cm³ (Grade 2).

La densité d’ un alliage d’aluminium typique est de 2,7 g/cm³ (Alliage 6061).

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 alliages résistants à la corrosion

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 alliages résistants à la corrosion

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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 550 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 du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 340 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 290 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’acier inoxydable – type 304 est de 515 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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 250 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 du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 300 MPa.

La limite d’élasticité de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 240 MPa.

La limite d’élasticité de l’acier inoxydable – type 304 est de 205 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 du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 110 GPa.

Le module de Young du superalliage – Inconel 718 est de 200 GPa.

Le module de Young du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 105 GPa.

Le module de Young de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 69 GPa.

Le module de Young de l’ acier inoxydable  – type 304 et 304L est de 193 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 alliages résistants à la corrosion

La dureté Brinell du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 170 MPa.

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

La dureté Rockwell du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 80 HRB.

La dureté Brinell de l’alliage d’aluminium 6061 dépend fortement de l’état du matériau, mais pour l’état T6, elle est d’environ 95 MPa.

La dureté Brinell de l’acier inoxydable de type 304 est d’environ 201 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 alliages résistants à la corrosion

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur 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 qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion des alliages résistants à la corrosion

Le point de fusion du bronze d’aluminium – UNS C95400 est d’environ 1030 °C.

Le point de fusion du superalliage – l’acier Inconel 718 est d’environ 1400 °C.

Le point de fusion du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 1660 °C.

Le point de fusion de l’alliage d’aluminium 6061 est d’environ 600 °C.

Le point de fusion de l’acier inoxydable – l’acier de type 304 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 des alliages résistants à la corrosion

La conductivité thermique du bronze d’aluminium – UNS C95400 est de 59 W/(mK).

La conductivité thermique du superalliage – Inconel 718 est de 6,5 W/(mK).

La conductivité thermique du titane commercialement pur – Grade 2 est de 16 W/(mK).

La conductivité thermique de l’alliage d’aluminium 6061 est de 150 W/(mK).

La conductivité thermique de l’acier inoxydable – type 304 est de 20 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.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Alliages