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Auteur(s)
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Jacques FOCT : ProfesseursLaboratoire de métallurgie physique et génie des matériaux, UMR-CNRS 8517 Université des sciences et technologies de Lille
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le paradoxe contenu dans le titre de cet article pose la question préalable de la référence à l’état de gaz, car les espèces (éléments ou composés définis) gazeuses dans les conditions considérées comme normales par la thermodynamique, se présentent, en combinaison dans les métaux, soit sous forme de solutés, soit sous forme d’inclusions. Les réactions gaz-métal intervenant dans les processus de corrosion ne sont pas envisagées dans cet article. Les gaz réagissent dans les métaux en fonction de leur structure électronique, ce qui suggère de considérer les éléments à partir de leur position dans la classification périodique. L’hydrogène, en raison de son comportement particulier induit par sa petite taille, est exclu du champ de cet exposé. C’est certainement l’élément qui suscite le plus de questions en raison de son rôle sur la fragilité, la plasticité, la corrosion, la corrosion sous-contraintes…, et aussi la possibilité de le stocker dans certains alliages.
L’azote suivant l’hydrogène dans l’ordre des électronégativités croissantes se retrouve dans la plupart des réseaux métalliques, en particulier celui des aciers, sous forme interstitielle. Lorsque l’on arrive à l’oxygène, l’électronégativité est telle que, dans la plupart des métaux, il se trouve sous forme d’ions O 2–, nettement plus gros que l’atome métallique, ce qui conduit à la formation d’oxydes. Une faible quantité d’oxygène non réduit peut néanmoins exister sous forme interstitielle. La taille des halogènes et, a fortiori, celle de leurs anions interdit la formation d’interstitiels, mais les rendent actifs dans les phénomènes de corrosion. Les gaz rares, utilisés comme atmosphère protectrice en raison de leur inertie chimique, peuvent présenter une faible solubilité dans les métaux liquides. Dans les solides, ils ne jouent aucun rôle, sauf s’ils proviennent de réactions nucléaires.
Les réactions des gaz polyatomiques (H2O, H2S, CO, CH4 , NH3 ) sur les métaux, hormis les réactions de corrosion, sont également envisagées. Elles peuvent être destructives ou constructives (cémentation, affinage), auquel cas le résultat final est une amélioration des propriétés mécaniques de l’acier. Les exemples proposés privilégient le cas de l’azote et des gaz nitrurants qui ouvrent le champ d’application dans les aciers le plus étendu.
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Conclusion5. Cas de l’azote et des aciers à l’azote
5.1 Diagramme Fe-N
La figure 5 représente le diagramme des phases du système Fe-N tandis que la figure 6 fait ressortir la solubilité de l’azote dans les phases γ, δ et liquide en fonction du potentiel azote imposé.
À l’origine, l’idée d’utiliser l’azote comme élément d’alliage est apparue dans le contexte conflictuel de la Seconde Guerre mondiale ; les approvisionnements problématiques en nickel ont poussé à l’utilisation d’autres éléments gammagènes, en particulier, l’azote et le manganèse, pour la fabrication d’aciers inoxydables. Le caractère très durcissant des éléments B, C, N offrait également la possibilité d’accroître la limite d’élasticité des aciers inoxydables austénitiques. Une fois mieux maîtrisés les processus d’élaboration en ajustant les potentiels azote (Allemagne, URSS) ou les compositions (Suède, France), une amélioration a été constatée dans les deux domaines de la résistance mécanique et de la tenue à la corrosion.
Des quatre grandes classes d’acier (austénitiques, martensitiques, duplex et ferritiques), seule la dernière n’a pas encore fait l’objet d’addition délibérée d’azote en raison d’une solubilité considérée comme trop faible. Parmi les aciers à forte teneur en azote, communément appelés HNS (High Nitrogen Steel) depuis 1988, les austénitiques ont certainement bénéficié des améliorations les plus nettes apportées par l’addition d’azote qui accroît considérablement les propriétés mécaniques : limite d’élasticité, charge à la rupture, résistance au fluage, résistance à la corrosion, tenue mécanique aux températures cryogéniques…
HAUT DE PAGE5.2 Élaboration des aciers à l’azote
Le processus de nitruration repose sur la mise au contact d’un substrat avec une phase à potentiel azote élevé. Cinq techniques d’obtention de tels potentiels peuvent être utilisées ...
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Cas de l’azote et des aciers à l’azote
BIBLIOGRAPHIE
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