Etude de la fissuration à chaud d’un acier austénitique réfractaire

Aciers et alliages réfractaires

Généralités Les alliages métalliques réfractaires sont généralement définis comme ceux qui peuvent être utilisés à des températures supérieures à 500-600°C. En dessous de cette limite, on parle plutôt d’alliages tenaces à chaud, parmi lesquels on trouve par exemple, les aciers inoxydables de construction mécanique et métallique [8]. La limite d’utilisations des aciers non alliées ou faiblement alliées se situe aux températures de l’ordre de 450°C à 550°C en fonction des critères de corrosion utilisés dans les conditions atmosphériques. La résistance à l’oxydation à chaud est obtenue généralement par une addition de chrome, comme pour les aciers inoxydables traditionnels, mais le seuil de la teneur en cet élément à partir duquel la résistance à l’oxydation dans l’air est nettement améliorée est de 5 à 6% et donc inférieure à la limite de 12%Cr qui caractérise les aciers inoxydables [9]. Indépendamment de la résistance à la corrosion à chaud, les alliages métalliques réfractaires sont caractérisés par leur aptitude à conserver à chaud une certaine tenue mécanique qui peut pour certaines pièces s’identifier totalement à la résistance au fluage de l’alliage [10]. Les principaux domaines d’utilisation des aciers réfractaires sont les suivants : – En tout premier lieu, les fours et accessoires de traitement thermique, cimenterie, pétrochimie, aéronautique et aérospatiale; – A un moindre titre, des outillages divers (lingotières, creusets etc.) [11]. Les principaux facteurs extérieurs à considérer dans le choix de ces aciers sont : – Température d’emploi ; – Régime d’utilisation (permanent ou cyclique) ; – Nature de l’atmosphère (oxydante, carburante, sulfurante, riche en azote etc.) ; – Contraintes mécaniques. Le comportement propre des aciers vis-à-vis de ces sollicitations peut être déterminé en fonction de : – Réactivité chimique à la température et dans le milieu donné (oxydant, carburant, sulfurant, nitrurant etc.) ; – Aptitude de l’acier à former une couche superficielle stable résistante à la pénétration dans l’épaisseur des produits de réaction ; CHAPITRE I – ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 4 – Résistance au fluage ; – Caractéristiques physiques notamment dilatabilité et conductivité thermique qui interviennent tout particulièrement en régime cyclique. Dans le cas de gradients thermiques élevés, une dilatabilité importante ou transformation allotropique α γ favorise l’écaillage de la couche protectrice superficielle.

 Différents types d’aciers et alliages réfractaires

Aciers ferritiques

La teneur en chrome dans ces aciers s’échelonne entre 7% et 30%, avec des additions de silicium, d’aluminium ou de cuivre pour améliorer la résistance à la corrosion à chaud [10]. Les principaux aciers réfractaires ferritiques sont [13] : – Aciers à 17% de chrome avec addition de silicium ou d’aluminium ; – Aciers à teneur comprise entre 20 et 24% de chrome avec une addition de silicium, soit d’aluminium ou de cuivre ; – Aciers à 30% de chrome reçoivent en général une addition d’azote destinée à freiner le grossissement du grain et donc la fragilisation du métal.

Aciers austénito-ferritiques

Ils sont peu utilisés comme réfractaires car dans le domaine des températures comprises entre 600 et 1000C, ils se fragilisent par la phase sigma et au-dessus de 1000C leur tenue au fluage devient très faible. Ils sont cependant utilisés comme électrodes de four à bain de sel jusqu’à 1100C 

Aciers austénitiques

En principe, les aciers austénitiques peuvent être considérés à la fois comme inoxydables et réfractaires en même temps. Les aciers 18/8 (Cr/Ni) ont une résistance à chaud comparable à celle des aciers à 15 – 18% Cr, dits réfractaires jusqu’à environ 900C et ont un prix de revient relativement bas [14]. L’addition du nickel dans des aciers Fe-Cr élargit le domaine austénitique en fonction de la teneur en carbone et de la température. Les nuances comportant 12 à 20% de nickel peuvent être soit entièrement austénitique, soit très légèrement austénito-ferritiques. A partir de 30% de nickel, la structure devient pratiquement austénitique. Cette dernière est ductile et très résistante aux chocs thermiques et au fluage. En revanche, des teneurs élevées en nickel diminuent la résistance aux atmosphères sulfurantes à cause de l’eutectique Ni-S à bas point de fusion 645C [10]. La structure à haute température de l’alliage ternaire Fe-Cr-Ni (figure I.1) dépend essentiellement de la proportion relative du chrome, élément alphagène qui rétrécit le domaine  et stabilise la ferrite  ou  selon la température, et du nickel, élément gammagène qui étend le domaine  [13]. Chaque élément peut être affecté d’un coefficient de stabilisation de la ferrite ou de l’austénite qui représente son pouvoir alphagène ou gammagène. Les coefficients d’équivalence (équations 1 et 2) sont définis par rapport au chrome et au nickel, éléments respectivement alphagène et gammagène, auquels sont attribué empiriquement le coefficient 1. En portant le point représentatif des équivalents de chrome et de nickel sur le diagramme d’équilibre ternaire Fe-Cr-Ni (figure I.1) à partir des équations 1 et 2 [13], on peut estimer la structure d’un acier inoxydable à 1000°C. On remarque, qu’à cette température et à partir d’une structure purement austénitique, une augmentation de la teneur en chrome conduit à une structure austénito-ferritique, puis une augmentation de la teneur en nickel permet de retrouver une structure austénitique. Equivalent Ni = %Ni + %Co + 0.5 (%Mn) + 0.3 (%Cu) + 25(%N) (1) Equivalent Cr = %Cr + 2.0 (%Si) + 1.5 (%Mo) + 5.5 (%Al) + 1.75 (%Nb) + 1.5 (%Ti) + 0.75 (%W) (2) Les formules empiriques de calcul des équivalents en chrome et en nickel et les diagrammes établis en vue de la prévision de la microstructure des aciers inoxydables sont donc applicables uniquement dans les conditions expérimentales ou pratiques correspondantes.