Les aciers inoxydables sont des alliages métalliques à base fer contenant, en masse, au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2% de carbone et des éléments d’alliage. Le fer peut dissoudre des quantités variables de divers éléments d’addition qui confèrent à l’acier une large variété de structures. Cette large gamme de structures permet de satisfaire un large éventail de propriétés et donc d’applications allant de la résistance à la corrosion aux propriétés mécaniques (élasticité, ténacité….) en passant par les propriétés physiques (résistivité électrique, magnétisme…). Parmi les éléments d’addition, certains ont un pouvoir
Conditions de passivation du Cr Technique
d’analyse Eg Référence 0,5 M H2SO4 - 1,5 + 0,25 V/ESM Vieillissement : 1 heure Photoélectrochimie Equation I-6 (n=2) 3,15 eV
[Di Quarto, 1990 ; Sunseri, 1990] 0,5 M H2SO4 - 1,5 + 0,25 V/ESM Vieillissement : 4 heures Photoélectrochimie Equation I-6 (n=2) 3,3 eV
[Di Quarto, 1990 ; Sunseri, 1990]
0,5 M H2SO4
- 1,5 - 0,70 V/ESM Vieillissement : 1 heure
Photoélectrochimie
Equation I-6 (n=2) 2,45 eV [Sunseri, 1990] 0,5 M H2SO4
- 1,5 - 0,70 V/ESM Vieillissement : 20 heures
Photoélectrochimie
Equation I-6 (n=2) 2,4 eV [Sunseri, 1990] 0,5 M Na2SO4 - 2 - 0,60 V/ESM Vieillissement : 1 heure Photoélectrochimie Equation I-6 (n=2) 2,95 eV ≡ CrOOH 2,5 eV ≡ Cr(OH)3 [Sunseri, 1990] 0,05 M H2SO4 - 0,45 V/ECS Photoélectrochimie
Equation I-6 (n=2) 2,8 eV [Schmuki, 1995] 0,1 M H2SO4 [0 ; 0,75] V/(Ag/AgCl) Photoélectrochimie Equation I-6 (n=2) 3,6-3,7 eV ≡ Cr2O3 2,5 eV ≡ Cr(OH)3 [Tsuchiya, 2002] 1 N H2SO4 ou 0,1 N H2SO4 + 0,9 N K2SO4 [- 0,3 ; 0,7] V/ECS Mesures d’impédance 0,8 eV [Lovrecek, 1972]
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ferritisant (ou alpha-gène), c’est-à-dire qu’ils favorisent la structure ferritique, comme le chrome, le molybdène, le silicium, le niobium, le titane ou le zirconium alors que d’autres ont un pouvoir austénitisant (ou gamma-gène), c’est-à-dire qu’ils favorisent la structure austénitique, comme le nickel, le carbone, l’azote ou le manganèse.
Il existe plus de 200 variétés d’acier inoxydables qu’on appelle les nuances et qui sont regroupées en quatre grandes familles :
• Les ferritiques
Les aciers inoxydables ferritiques sont composés d’un minimum de 12% de chrome. La teneur en chrome peut atteindre 24 à 28 %. On parle alors d’aciers ferritiques à haute teneur en chrome ou encore d’aciers superferritiques qui présentent une bonne résistance à la corrosion en milieu riche en chlorure. Cependant ces alliages ont une faible malléabilité.
• Les austénitiques
Les nuances austénitiques les plus utilisées sont caractérisées par des teneurs respectives en chrome et en nickel de 17 à 18% et 8 à 14%. Le nickel permet de donner une certaine ductilité ou malléabilité à l’acier austénitique. Ce sont les inox les plus populaires car ils représentent le compromis optimal entre résistance à la corrosion et propriétés mécaniques (excellente aptitude au formage) que ce soit à basse température, température ambiante ou même haute température. Cependant l’évolution du coût des matières premières, et principalement du nickel, au cours de la dernière décennie a rendu ces alliages assez chers. Par conséquent les aciers inoxydables ferritiques (sans nickel) sont devenus plus attractifs de point de vue économique. Ceci a poussé les grandes entreprises comme ArcelorMittal à encourager l’utilisation des aciers inoxydables ferritiques partout où les conditions techniques le permettent [Mithieux, 2010].
• Les martensitiques
Les aciers inoxydables martensitiques contiennent entre 12 à 14% de chrome et des teneurs en carbone pouvant atteindre 1%. Cette famille possède des propriétés mécaniques élevées issues de la structure martensitique grâce à l'effet du carbone. Par traitement thermique, les martensitiques donnent une dureté et des propriétés mécaniques élevées. Cette famille d’acier possède également une bonne résistance à la corrosion (teneur en chrome 12 à 14 %).
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• Les duplex
Les duplex sont des aciers inoxydables ayant une structure mixte austénitique-ferritique. Ils sont appelés également austéno-ferritiques. Les principales nuances contiennent 21 à 26% de chrome et 1 à 7 % de nickel. Les aciers inoxydables duplex possèdent une bonne résistance à la corrosion et présentent des caractéristiques mécaniques incomparables. Ils sont utilisés pour la construction de ponts, de passerelles et de piscines.
La bonne résistance à la corrosion des aciers inoxydables est principalement due à la formation d’une couche protectrice enrichie en oxyde de chrome. La formation et la stabilité de cette couche nécessitent un minimum de chrome dans l’alliage métallique qui est aux alentours de 12 %. On trouve dans la littérature plusieurs théories qui ont été proposées pour expliquer la présence d’un seuil de concentration de chrome dans l’alliage pour lequel une couche passive stable se forme lorsque l’échantillon est au contact de l’humidité ou de l’eau. Le modèle de la percolation proposé par Sieradzki et Newman [Sieradzki, 1986] montre que la teneur en chrome minimale serait celle pour laquelle les sites atomiques superficiels occupés par des atomes de chrome restent assez proches pour pouvoir être reliés par des atomes d’oxygène adsorbés. Il en résulte d’après cette théorie une teneur minimale en chrome de 10% pour les ferrites (Fe-Cr) et de 12% pour les austénites (Fe-Cr-Ni). On trouve également la théorie de la configuration électronique proposée par Uhlig et Wulff [Uhlig, 1979] qui indique qu’un alliage Fe-Cr reste passivable tant que les lacunes en électrons des orbitales 5d du chrome ne sont pas complètement remplies par des électrons donnés par le fer, c’est-à-dire tant que les rapport des concentrations atomiques Fe/Cr restent inférieurs à 5 ce qui correspond à une teneur de chrome en masse de 15,7%. Ajoutons que Diawara et al [Diawara, 2010] ont récemment développé un nouveau modèle théorique afin de simuler la germination et la croissance du film passif sur les alliages Fe-Cr. Leur simulation montre que la surface métallique n’est passivée que lorsque la teneur en chrome dans l’alliage métallique est supérieure à 16%. Pour une teneur en chrome inférieure à 14% les germes d’oxyde ne couvrent pas complètement la surface métallique. De plus, cette simulation indique que la transition passivation incomplète / passivation complète des alliages Fe-Cr se fait d’une façon continue lorsque la teneur en chrome dans ces derniers augmente de 14 à 16 %.
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