Propriétés fondamentales et domaines d’emploi
Aciers inoxydables - Critères de choix et structure

Les aciers inoxydables constituent une vaste famille d’alliages métalliques qui ont tous en commun de contenir du fer et du chrome. Grâce à leur teneur en chrome, ils peuvent développer une fine barrière superficielle, ou film passif, qui leur confére une qualité première : la résistance à la corrosion dans un grand nombre de milieux.

Cette couche passive est d’autant plus stable que la teneur en chrome de l’alliage est élevée. Un premier seuil se situe à environ 11 % de chrome. Suit un second seuil, vers 17 % de chrome, pour lequel on observe une plus grande stabilité de la couche passive, et, par voie de conséquence, une meilleure résistance à la corrosion. Pour d’autres raisons (fragilité des brames de coulée continue), la limite supérieure en chrome de ces alliages est de l’ordre de 30 %.

Cette propriété fondamentale de résistance à la corrosion correspond bien à l’appellation de ces aciers. En français, on dit « inoxydable », en anglais : « stainless steel » (acier sans tache) et en allemand « rostfreï stahl » (acier qui ne rouille pas).

En fonction de leur composition chimique, et après traitement thermique (recuit, trempe, revenu, hypertrempe), on peut classer les aciers inoxydables d’après leur structure cristalline.

La première famille est celle des aciers martensitiques. Leur teneur en chrome est généralement comprise entre 12 et 17 %, et celle en carbone peut atteindre 0,6 %. À ces deux éléments d’alliage de base, peuvent s’ajouter, en faible quantité, par rapport au chrome, du molybdène, du nickel, voire de l’azote. Dans ces alliages, le carbone joue un rôle fondamental. Pour une teneur en chrome de l’ordre de 13 %, la structure cristalline est cubique centrée jusqu’à 0,18 % de carbone, et tétragonale au-delà.

La seconde famille est celle de aciers ferritiques, dont la teneur en chrome peut atteindre 30 %, tandis que celle en carbone est maintenue à des niveaux très bas, inférieurs à 0,02 %. Ils peuvent contenir du molybdène, et être stabilisés avec du titane ou du niobium lorsqu’ils doivent être soudés. Leur structure cristalline est cubique centrée. Ils sont ferromagnétiques. La nuance la plus représentative est celle à 17 % de chrome, elle couvre plus de 20 % des besoins du marché.

La troisième famille est celle des aciers austénitiques. Ce sont des alliages fer-chrome-nickel ayant une très faible teneur en carbone. Ils peuvent contenir du molybdène (jusqu’à 8 %), pour améliorer leur résistance à la corrosion. Certaines nuances contiennent de l’aluminium ou des terres rares, pour améliorer leurs performances aux températures très élevées. Leur structure cristalline est cubique à faces centrées. Ces aciers sont dits amagnétiques (en toute rigueur, paramagnétiques). La nuance la plus représentative de cette famille est celle contenant 18 % de chrome et 9 % de nickel (appelée couramment 18-8), elle couvre environ 80 % des besoins du marché.

La quatrième famille est celle des aciers inoxydables austéno-ferritiques (appelés aussi duplex) dont la structure est composée de deux phases ferritique et austénitique, dans des proportions sensiblement égales. Cette structure austéno-ferritique est obtenue grâce à la maîtrise de l’équilibre des éléments alphagènes (éléments qui agissent comme le chrome) et gammagènes (éléments qui agissent comme le nickel), et par un traitement thermique (hypertrempe) adapté à chaque nuance. Au plan analytique, ces nuances ont une teneur élevée en chrome (20 à 27 %), une teneur relativement basse en nickel (4 à 8 %), et peuvent contenir du molybdène (jusqu’à 4 %) et du cuivre (jusqu’à 3 %). Par ailleurs, elles contiennent toujours de l’azote, puissant élément gammagène, dont la teneur est comprise entre 0,1 et 0,3 %. Ces nuances présentent, tout à la fois, une excellente résistance à la corrosion et des caractéristiques mécaniques élevées. Malgré ces propriétés remarquables, mais à cause de leur coût, les aciers austéno-ferritiques représentent moins de 1 % du marché des aciers inoxydables.

Dans cet article, nous décrivons les différentes structures rencontrées, ainsi que les propriétés et les caractéristiques qui y sont associées.

L’étude complète du sujet comprend aussi les articles [M 4 541] [M 4 542] [M 4 543].